DE202015102582U1

DE202015102582U1 - System zur Erkennung von Feinstaubpartikeln

Info

Publication number: DE202015102582U1
Application number: DE202015102582.3U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2025-05-21
Also published as: US20150355066A1; RU2015120953A; US9778160B2; RU2015120953A3; RU2690544C2; CN204718932U

Abstract

System zur Erkennung von Feinstaub in einem Abgastrakt eines Motors, Folgendes umfassend: ein erstes äußeres Rohr (210) mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen (244) auf einer stromaufwärtigen Oberfläche (254); ein zweites inneres Rohr (220) mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen (246) auf einer stromabwärtigen Oberfläche (252); und einen Feinstaub-Sensor (162, 232), der innerhalb des zweiten inneren Rohrs (220) platziert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Erkennung von Partikeln in einer Abgasanlage.
Hintergrund und Zusammenfassung
Motor-Abgasregelsysteme können verschiedene Abgassensoren verwenden. Ein beispielhafter Sensor kann ein Partikel-Sensor sein, der die Masse und/oder die Konzentration von Partikeln im Abgas anzeigt. In einem Beispiel kann der Partikel-Sensor so arbeiten, dass er sich Partikel über einen gewissen Zeitraum ablagern lässt und eine Angabe zum Ablagerungsgrad als Messung des Levels von Partikeln im Abgas zur Verfügung stellt.
Bei Feinstaubpartikel-Sensoren können Probleme mit einer nicht gleichmäßigen Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Sensor durch eine Ungleichmäßigkeit bei der Strömungsverteilung über die Oberfläche des Sensors auftreten. Ferner können Feinstaubpartikel-Sensoren durch einen Aufprall von Wassertröpfchen und/oder größeren Partikeln, die in den Abgasen vorhanden sind, zu einer Kontamination neigen. Diese Kontamination kann zu Fehlern in den Sensor-Ausgabedaten führen. Des Weiteren kann die Sensorregeneration inadäquat sein, wenn eine wesentliche Menge Abgas über den Feinstaubpartikel-Sensor strömt.
Die Erfinder dieser Erfindung haben die oben genannten Probleme erkannt und einen Ansatz identifiziert, um diese Probleme zumindest teilweise zu beheben. In einem beispielhaften Ansatz wird ein System zur Erkennung von Feinstaubpartikeln in einem Abgastrakt eines Motors zur Verfügung gestellt. Das System umfasst ein erstes äußeres Rohr mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen auf einer stromaufwärtigen Oberfläche und ein zweites inneres Rohr mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche, und einen Feinstaubpartikel-Sensor, der innerhalb des zweiten inneren Rohrs positioniert ist.
Beispielsweise kann ein Feinstaubpartikel-(PM-)Sensor innerhalb eines zweiten inneren Rohrs angeordnet sein, wobei das zweite innere Rohr in einem ersten äußeren Rohr eingeschlossen ist. Das erste äußere Rohr kann eine Vielzahl von Perforationen auf der stromaufwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs aufweisen, die dem entgegenkommenden Abgasstrom gegenüberliegt. Ferner kann das zweite innere Rohr eine Gruppe von Perforationen haben, die auf einer stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs liegen, wobei die stromabwärtige Oberfläche vom Abgasstrom weg zeigt. Der PM-Sensor kann einen elektrischen Stromkreis auf einer seiner Oberflächen aufweisen, und der PM-Sensor kann innerhalb des inneren Rohrs so positioniert werden, dass die Oberfläche mit dem elektrischen Schaltkreis den Ansaug-Perforationen auf der stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gegenüberliegt. Entsprechend kann eine Probe des Abgases in das erste äußere Rohr über die stromaufwärtigen Perforationen eintreten und um einen ringförmigen Raum zwischen dem zweiten inneren Rohr und dem ersten äußeren Rohr strömen und über die Gruppe von Perforationen auf der stromabwärtigen Oberfläche des inneren Rohrs in das zweite innere Rohr eintreten. Die Probe der Abgase kann dann auf den PM-Sensor mit dem elektrischen Schaltkreis aufprallen und darüber hinwegströmen. Letztendlich kann die Probe der Abgase aus dem zweiten inneren Rohr über Kanäle austreten, die das zweite innere Rohr strömungstechnisch mit dem Abgastrakt verbinden.
Auf diese Weise kann ein PM-Sensor einer gleichmäßigeren Strömungsverteilung über seine Oberfläche hinweg ausgesetzt werden. Indem die Probe der Abgase durch zwei verschiedene Sets von Öffnungen geleitet wird, kann die Durchflussrate der Probe des Abgases geregelt werden. Ferner kann die Durchflussrate noch ausgeglichener sein, auch wenn sie auf die Oberfläche des PM-Sensors aufprallt, und erlaubt somit eine gleichmäßigere Ablagerung von Partikeln. Indem eine ausgeglichenere, geregelte Durchflussrate der Probe des Abgases auf der Oberfläche des PM-Sensors zur Verfügung gestellt wird, kann die Sensor-Regeneration mit vermindertem Wärmeverlust erfolgen. Ferner können sich, da die Probe der Abgase durch einen ringförmigen Raum zwischen den zwei Schutzrohren strömen gelassen wird, größere Partikel und/oder Wassertröpfchen durch ihren größeren Impuls auf der inneren stromabwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs ablagern. Daher kann der PM-Sensor vor einem Aufprall von Wassertröpfchen und größeren Partikeln geschützt werden. Insgesamt kann die Funktionsfähigkeit des PM-Sensors verbessert werden und zuverlässiger sein.
Es versteht sich, dass die Zusammenfassung oben zur Verfügung gestellt wird, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form zur Verfügung zu stellen, die in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, dessen Umfang alleine durch die Ansprüche definiert wird, die der detaillierten Beschreibung folgen. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Umsetzungen beschränkt, die die oben oder ein einem anderen Teil dieser Offenbarung aufgeführten Nachteile beheben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Funktionsschema eines Motors.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Feinstaubpartikel-(PM-)Sensor-Baugruppe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine Schnittansicht einer PM-Sensor-Baugruppe, wie sie in einem Abgastrakt des Motors aus 1 platziert wurde.
4a, 4b, und 4c stellen mehrere Querschnittsansichten der PM-Sensor-Baugruppe dar.
5 ist ein beispielhafter Strom von Flüssigkeit um einen Querschnitt einer PM-Sensor-Baugruppe herum.
6 ist eine graphische Darstellung einer beispielhaften CFD-Berechnung in Übereinstimmung mit dem in 5 bildlich dargestellten Aufbau.
7 ist ein beispielhaftes Fließdiagramm zur Erkennung, ob PM vorhanden sind, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform in der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der PM-Sensor-Baugruppe aus 2.
9 stellt eine Querschnittsansicht der PM-Sensor-Baugruppe aus 8 dar.
10 ist ein beispielhaftes Fließdiagramm zur Erkennung von PM unter Verwendung der Ausführungsform der PM-Sensor-Baugruppe aus 8.
11 schildert eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer PM-Sensor-Baugruppe.
12 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der in 11 gezeigten PM-Sensor-Baugruppe.
13 ist ein beispielhaftes Fließdiagramm zur Erkennung von PM unter Verwendung der Ausführungsform der PM-Sensor-Baugruppe aus 11.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung betrifft die Erkennung von Feinstaubpartikeln (PM) in einem Abgasstrom eines Motorsystems wie das in 1 gezeigte Motorsystem. Ein PM-Sensor kann in einem Abgastrakt des Motorsystems platziert werden, wie in 3 gezeigt wird. Der PM-Sensor kann ein erstes äußeres Rohr mit Öffnungen auf einer stromaufwärtigen Seite aufweisen und ein zweites inneres Rohr mit Öffnungen auf einer stromabwärtigen Seite (2). Der PM-Sensor kann in dem zweiten inneren Rohr eingeschlossen sein. Ein Teil der Abgase kann in das erste äußere Rohr der PM-Sensor-Baugruppe gezogen werden, woraufhin der Teil des Gases innerhalb eines ringförmigen Raums zwischen dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr strömen kann und schließlich in das innere Rohr eintritt (4a, 4b, und 7). Der Teil der Abgase kann dann auf die Oberfläche des PM-Sensors aufprallen, die einen elektrischen Schaltkreis trägt. Schließlich kann der Teil der Abgase aus dem inneren Rohr über Kanäle an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe, wie sie in den 4a und 4c gezeigt werden, austreten. Der Abgasstrom in dem Abgastrakt hinter der PM-Sensor-Baugruppe kann an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe Zonen mit geringem statischem Druck erzeugen (5 und 6). Die PM-Sensor-Baugruppe kann in der umgekehrten Ausrichtung platziert werden, so dass eine Probe des Abgases zuerst in das äußere Rohr über Öffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche eintritt, durch einen ringförmigen Raum zwischen dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr strömt und in das zweite innere Rohr durch Öffnungen auf einer stromaufwärtigen Oberfläche eintritt (8 und 9). Der PM-Sensor kann innerhalb des zweiten Rohrs so positioniert werden, dass der elektrische Schaltkreis den stromaufwärtigen Löchern auf dem zweiten inneren Rohr gegenüberliegt, wodurch ermöglicht wird, dass Abgase auf den Schaltkreis aufprallen, so dass einer Steuerung eine Rückmeldung zur Verfügung gestellt werden kann. Ein beispielhafter Messbetrieb durch die PM-Sensor-Baugruppe in umgekehrter Ausrichtung wird in 10 gezeigt. Eine dritte Ausführungsform einer PM-Sensor-Baugruppe kann ein einzelnes Schutzrohr um den PM-Sensor aufweisen (11), wobei die Probe der Abgase über Öffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche des Schutzrohrs in das Schutzrohr eintritt (12). Ein Beispiel eines Messbetriebs der PM-Sensor-Baugruppe mit einem einzelnen Schutzrohr wird in 13 gezeigt.
Bezugnehmend auf 1 wird nun ein Funktionsschema mit einem Zylinder eines Mehrzylindermotors 10 gezeigt, der in ein Antriebssystem eines Fahrzeugs eingebunden sein kann. Motor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem gesteuert werden, das eine Steuerung 12 umfasst, und durch eine Eingabe durch einen Fahrzeugführer 132 über ein Eingabegerät 130. In diesem Beispiel weist das Eingabegerät 130 ein Gaspedal und einen Pedalstellungssensor 134 zur Erzeugung eines proportionalen Pedalstellungssignals PP auf. Eine Verbrennungskammer 30 (auch Zylinder 30 genannt) des Motors 10 kann die Wände 32 der Verbrennungskammer mit einem darin positionierten Kolben 36 aufweisen. Kolben 36 kann an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Kurbelwelle 40 kann an mindestens ein Antriebsrad (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs gekoppelt sein, und zwar über ein Zwischengetriebesystem (nicht gezeigt). Ferner kann ein Anlasser (nicht gezeigt) an die Kurbelwelle 40 über ein Schwungrad (nicht gezeigt) gekoppelt sein, um die Startfunktion des Motors 10 zu ermöglichen.
Verbrennungskammer 30 kann Ansaugluft über einen Ansaugkrümmer 44 und einen Ansaugtrakt 42 erhalten und Verbrennungsgase über einen Abgastrakt 48 ableiten. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgastrakt 48 können gezielt mit der Verbrennungskammer 30 jeweils über das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 kommunizieren. In manchen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehr Einlassventile aufweisen und/oder zwei oder mehr Auslassventile.
In dem in 1 gezeigten Beispiel können das Einlassventil 52 und das Auslassventil durch eine Betätigung der Nocken jeweils über das Nockensteuerungssystem 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockensteuersysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken aufweisen und können ein oder mehrere Nockenwellenverstellungssysteme (CPS), variable Zeitsteuerungssysteme der Nocken (VCT), variable Zeitsteuerungssysteme der Ventile (VVT) und/oder variable Ventilhubsysteme (VVL) verwenden, die durch die Steuerung 12 bedient werden, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position von Einlassventil 52 und Auslassventil 54 kann jeweils durch die Positionssensoren 55 und 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlassventil 52 und/oder das Auslassventil 54 durch elektrische Ventilsteuerung gesteuert werden. Beispielsweise kann Zylinder 30 alternativ ein Einlassventil aufweisen, das über elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über eine Nockensteuerung gesteuert wird, die CPS- und/oder VCT-Systeme aufweist.
In manchen Ausführungsformen kann jeder Zylinder des Motors 10 mit einem oder mehreren Einspritzdüsen konfiguriert werden, um diesem Kraftstoff zur Verfügung zu stellen. Als nicht einschränkendes Beispiel wird Zylinder 30 einschließlich einer Einspritzdüse 66 gezeigt. Einspritzdüse 66 wird an den Zylinder 30 gekoppelt gezeigt, um Kraftstoff direkt in diesen einzuspritzen, proportional zu der Impulsbreite des Signals FPW, das von der Steuerung 12 über den elektronischen Treiber 68 erhalten wird. Auf diese Weise stellt die Einspritzdüse 66 das zur Verfügung, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer 30 bekannt ist. Es versteht sich ebenso, dass der Zylinder 30 Kraftstoff durch eine Vielzahl von Injektionen während eines Verbrennungszyklus erhalten kann. In anderen Beispielen kann die Einspritzdüse beispielsweise auf der Seite der Verbrennungskammer oder oben in der Verbrennungskammer montiert werden. Der Kraftstoff kann der Einspritzdüse 66 durch eine Kraftstoffanlage (nicht gezeigt) zugeführt werden, die einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein Kraftstoffverteilerrohr aufweist.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Motor 10 als Dieselmotor konfiguriert, der Luft und Dieselkraftstoff durch Verdichtungszündung verbrennt. In anderen Ausführungsformen kann der Motor 10 einen unterschiedlichen Kraftstoff durch Verdichtungszündung und/oder Funkenzündung verbrennen, einschließlich Benzin, Biodiesel oder eine Kraftstoffmischung, die Alkohol enthält (z. B. Benzin und Ethanol oder Benzin und Methanol). Daher können die hier beschriebenen Ausführungsformen in jedem geeigneten Motor verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Diesel- und Benzinmotoren mit Verdichtungszündung, Otto-Motoren, Motoren mit Direkt- oder Saugrohreinspritzung etc.
Der Ansaugtrakt 42 kann eine Drossel 62 aufweisen, die über eine Drosselklappe 64 verfügt. In diesem bestimmten Beispiel kann die Position der Drosselklappe 64 durch die Steuerung 12 über ein Signal variiert werden, das einem elektrischen Motor oder einem Stellschalter, der in der Drossel 62 enthalten ist, zur Verfügung gestellt wird, eine Konfiguration, die als elektronische Drosselsteuerung (ETC) bezeichnet werden kann. Auf diese Weise kann Drossel 62 betrieben werden, um die Ansaugluft zu variieren, die dem Verbrennungszylinder 30 neben anderen Verbrennungszylindern des Motors zur Verfügung gestellt wird. Die Position der Drosselplatte 64 kann der Steuerung 12 durch das Drosselpositionssignal TP zur Verfügung gestellt werden. Der Ansaugtrakt 42 kann einen Luftmassensensor 120 und einen Saugrohrdrucksensor 122 aufweisen, um der Steuerung 12 die jeweiligen Signale MAF und MAP zur Verfügung zu stellen.
Ferner kann in den offenbarten Ausführungsformen ein Abgasrückführ-(EGR-)System einen gewünschten Teil des Abgases vom Abgastrakt 48 zum Ansaugkrümmer 44 über einen EGR-Trakt 140 weiterleiten. Die Menge der zur Verfügung gestellten EGR kann durch die Steuerung 12 über ein EGR-Ventil 142 variiert werden. Durch Einführung von Abgas in den Motor 10 wird die Menge des für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Sauerstoffs vermindert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsflamme reduziert und die Bildung von beispielswiese NO_x reduziert wird. Wie dargestellt wird, weist das EGR-System ferner einen EGR-Sensor 144 auf, der innerhalb des EGR-Traktes 140 angeordnet sein kann und eine oder mehrere der Anzeigen von Druck, Temperatur und Konzentration des Abgases zur Verfügung stellen kann. Unter manchen Bedingungen kann das EGR-System dazu verwendet werden, die Temperatur des Luft- und Kraftstoffgemischs in der Verbrennungskammer zu regulieren und so ein Verfahren zur Steuerung des Zündungszeitpunkts während einiger Verbrennungsmodi zur Verfügung zu stellen. Ferner kann unter manchen Bedingungen ein Teil des Verbrennungsgases in der Verbrennungskammer durch zeitliche Steuerung des Auslassventiltriebs zurückgehalten oder gefangen werden, wie durch Steuerung eines variablen Ventiltrieb-Zeitablaufmechanismus.
Ein Abgassystem 128 weist einen Abgassensor 126 auf, der an den Abgastrakt 48 oberhalb der Abgasreinigungsanlage 70 gekoppelt ist. Sensor 126 kann jeder Sensor sein, der geeignet ist, um eine Anzeige des Verhältnisses Luft/Kraftstoff im Abgas anzuzeigen, wie ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (Universal oder Wide-Range Exhaust Gas Oxygen, Breitband-Lambdasonde), ein Sauerstoffsensor mit zwei Zuständen oder EGO, ein HEGO (beheizter EGO), ein NO_x,- HC,- oder CO-Sensor.
Die Abgasreinigungsanlage 70 wird entlang des Abgastrakts 48 stromabwärts des Abgassensors 126 gezeigt. Das Abgasreinigungssystem 70 kann ein selektives katalytisches Reduzierungs-(SCR-)System sein, ein Dreiwegekatalysator (TWC), ein NO_x-Speicher, verschiedene andere Geräte zur Abgasreinigung oder Kombinationen daraus. Beispielsweise kann das Abgasreinigungssystem 70 einen SCR-Katalysator 71 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 72 aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann sich DPF 72 stromabwärts des SCR-Katalysators 71 befinden (wie in 1 gezeigt), während in anderen Ausführungsformen DPF 72 stromaufwärts des SCR-Katalysators 71 positioniert sein kann (nicht 1 gezeigt). Das Abgasreinigungssystem 70 kann ferner einen Abgassensor 162 aufweisen. Sensor 162 kann jeder Sensor sein, der zur Anzeige der Konzentration der Bestandteile des Abgases geeignet ist, wie zum Beispiel NO_x, NH₃, EGO, oder ein Feinstaubpartikel-(PM-)Sensor. In manchen Ausführungsformen kann sich Sensor 162 stromabwärts von DPF 72 befinden (wie in 1 gezeigt), während in anderen Ausführungsformen Sensor 162 stromaufwärts des DPF 72 positioniert sein kann (nicht in 1 gezeigt). Ferner versteht sich, dass mehr als ein Sensor 162 in jeder geeigneten Position zur Verfügung gestellt werden kann.
Wie detaillierter mit Verweis auf 2 beschrieben wird, kann Sensor 162 ein PM-Sensor sein und kann die Masse oder Konzentration von Feinstaubpartikeln stromabwärts von DPF 72 messen. Beispielsweise kann 162 ein Rußpartikelsensor sein. Der Sensor 162 kann betriebsbereit mit der Steuerung 12 gekoppelt sein und mit dieser kommunizieren, um eine Konzentration der Feinstaubpartikel in dem aus DPF 72 austretenden und durch den Abgastrakt 48 strömenden Abgas anzuzeigen. Auf diese Weise kann Sensor 162 Lecks am DPF 72 feststellen.
Ferner kann in manchen Ausführungsformen das Abgasreinigungssystem 70 während des Betriebs des Motors 10 regelmäßig zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
Die Steuerung 12 wird in 1 als Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102 aufweist, Eingangs-/Ausgangs-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das als Read Only Memory(ROM)-Chip 106 in diesem bestimmten Beispiel gezeigt wird, Arbeitsspeicher 108, Keep Alive Memory 110 und ein Daten-BUS. Die Steuerung 12 kann in Kommunikation mit Sensoren stehen und verschiedene Signale und Informationen von diesen empfangen, die mit dem Motor 10 gekoppelt sind, zusätzlich zu den Signalen, die zuvor besprochen wurden, einschließlich der Messung des eingeführten Luftmassenstroms (MAF) von Luftmassensensor 120; der Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von Temperatursensor 112, der an den Kühlwassermantel 114 gekoppelt ist; ein Profil-Zündstromabnehmer-Signal (PIP) von einem Hallsensor 118 (oder einem anderen Typ), der an Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; die Drosselklappenposition (TP) von einem Drosselklappen-Positionssensor; das absolute Ansaugkrümmer-Drucksignal MAP von Sensor 122; sowie die Konzentration der Abgasbestandteile durch den Abgassensor 126. Das Signal für die Motorgeschwindigkeit, U/Min., kann durch die Steuerung 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden.
Wie oben beschrieben wurde, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und jeder Zylinder kann ebenso einen eigenen Satz Einlass-/Auslassventile, Einspritzdüse, Zündkerze etc. aufweisen.
Wir gehen nun zu 2 über, wo eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer PM-Sensor-Baugruppe 200 gezeigt wird. Die PM-Sensor-Baugruppe 200 kann der Abgassensor 162 aus 1 sein und daher gemeinsame Merkmale und/oder Konfigurationen aufweisen wie die bereits bei Abgassensor 162 beschriebenen. Die PM-Sensor-Baugruppe 200 kann so konfiguriert sein, dass sie die PM-Masse und/oder -Konzentration im Abgas misst, und kann als solche an einen Abgastrakt gekoppelt sein. Es versteht sich, dass PM-Sensor-Baugruppe 200 in vereinfachter Form mittels eines Beispiels gezeigt wird und dass andere Konfigurationen möglich sind.
Die PM-Sensor-Baugruppe 200 wird von einer stromabwärtigen Perspektive innerhalb von Abgastrakt 48 aus 1 gezeigt, so dass die Abgase von der rechten Seite von 2 zur linken Seite von 2 strömen, wie es durch die Pfeile 272 angezeigt wird. Die PM-Sensor-Baugruppe 200 kann ein erstes äußeres Rohr 210 mit einer Mehrzahl von Öffnungen 244 aufweisen (auch Perforationen 244 genannt), die auf einer stromaufwärtigen Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs 210 verteilt sind. Die Öffnungen 244 (oder Ansaugöffnungen 244) können als Ansaugöffnungen dienen, die Proben des Abgases zur Feinstaubmessung nehmen. Die stromaufwärtige Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs 210 ist im Wesentlichen lotrecht zu und gegenüberliegend dem Strom der entgegenkommenden Abgase (Pfeile 272) im Abgastrakt 48 aus 1. Daher kann die stromaufwärtige Oberfläche 254 in direktem Kontakt mit dem Abgasstrom stehen, und die Abgase, die aus DPF 72 austreten, können auf ungehinderte Weise zu der stromaufwärtigen Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs 210 der PM-Sensor-Baugruppe 200 strömen. Ferner dürfen keine Komponenten den Abgasstrom von DPF 72 zur PM-Sensor-Baugruppe 200 blockieren oder ablenken. Somit kann ein Teil des Abgases als Probe über die Öffnungen 244 in die PM-Sensor-Baugruppe 200 geleitet werden. Das erste äußere Rohr 210 kann nicht Öffnungen auf seiner stromabwärtigen Oberfläche 258 aufweisen.
Die PM-Sensor-Baugruppe 200 umfasst weiterhin ein zweites inneres Rohr 220, das vollständig im ersten äußeren Rohr 210 eingeschlossen ist. Das zweite innere Rohr 220 kann so positioniert sein, dass eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs parallel zur zentralen Achse des ersten äußeren Rohrs 210 liegt. In dem in 2 gezeigten Beispiel fällt eine zentrale Achse X-X' des zweiten inneren Rohrs 220 mit der entsprechenden zentralen Achse X-X' des ersten äußeren Rohrs 210 zusammen und kann dieselbe Achse sein, was zu einer konzentrischen Anordnung des zweiten inneren Rohrs innerhalb des ersten äußeren Rohrs führt. Daher kann ein ringförmiger Raum (nicht in 2 gezeigt) zwischen dem ersten äußeren Rohr 210 und dem zweiten inneren Rohr 220 gebildet werden. Insbesondere kann der ringförmige Raum zwischen einer äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs 220 und einer inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs 210 gebildet werden. In alternativen Ausführungsformen kann die zentrale Achse des ersten äußeren Rohrs 210 nicht mit der zentralen Achse des zweiten inneren Rohres 220 zusammenfallen, sondern parallel dazu liegen. Jedoch kann ein ringförmiger Raum zwischen dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr erhalten bleiben.
Das zweite innere Rohr 220 ist ebenso mit einer Vielzahl von Öffnungen 246 (oder Ansaugöffnungen 246) auf einer stromabwärtigen Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs 220 ausgestattet. Die Öffnungen 246 können als Ansaugöffnungen für einen Teil der Abgase fungieren, der zur PM-Probennahme in das erste äußere Rohr 210 gezogen wird. Ferner muss das zweite innere Rohr nicht Ansaugöffnungen auf seiner stromaufwärtigen Oberfläche 260 aufweisen. Die stromabwärtige Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs 220 weist eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen lotrecht zum Abgasstrom liegt und vom Strom der Abgase im Abgastrakt weg zeigt. Ferner befindet sich die stromabwärtige Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs 220 innerhalb des ersten äußeren Rohrs 210 und steht somit nicht in direktem Kontakt mit dem Abgasstrom im Abgastrakt 48 aus 1. Jedoch kann die stromabwärtige Oberfläche 252 in direktem Kontakt mit dem Teil der Abgase stehen, der über die Öffnungen 244 des ersten äußeren Rohrs 210 geführt wird. Daher kann der Teil des Abgases, der über die Öffnungen 244 des ersten äußeren Rohrs 210 in die PM-Sensor-Baugruppe 200 geleitet wird, in einen Innenraum (nicht gezeigt) innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 über Öffnungen 246 des zweiten inneren Rohrs 220 geleitet werden. Somit kann das zweite innere Rohr 220 einen darin liegenden hohlen Innenraum einschließen.
Die PM-Sensor-Baugruppe 200 weist weiterhin einen PM-Sensor 232 auf, der im Innenraum innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 platziert ist. Daher kann der PM-Sensor 232 vollständig innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 eingeschlossen sein, das seinerseits von dem ersten äußeren Rohr 210 umgeben sein kann. Das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr können somit als Schilde oder Schutz für den PM-Sensor dienen.
Der PM-Sensor 232 kann einen elektrischen Schaltkreis 234 aufweisen, der sich auf einer ersten Oberfläche 236 befindet. Ferner kann der PM-Sensor 232 innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 so platziert werden, dass die erste Oberfläche 236 der Vielzahl der Öffnungen 246 auf der stromabwärtigen Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs 220 gegenüberliegt. Daher kann der Teil der Abgase, der in den hohlen Innenraum innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 geleitet wird, auf die erste Oberfläche 236 des PM-Sensors 232 aufprallen. Partikelablagerung von dem Teil der Abgase auf der ersten Oberfläche 236 können eine Brücke oder einen Kurzschluss im elektrischen Schaltkreis 234 erzeugen und ein Ausgangssignal, z. B. Strom oder Spannung, des PM-Sensors 232 verändern. Das Ausgangssignal des PM-Sensors 232 kann somit ein Indikator des angesammelten Partikelmaterials in den Abgasproben sein, die der Sensor misst.
Das zweite innere Rohr 220 kann strömungstechnisch mit dem Abgastrakt über einen oder mehrere Kanäle 242 verbunden sein, die sich auf den Seitenoberflächen 256 der PM-Sensor-Baugruppe befinden. Die Seitenoberflächen 256 können im Wesentlichen tangential zu einer Richtung des Abgasstroms im Abgastrakt sein. Ferner verbinden die Kanäle 242 strömungstechnisch nur den Innenraum innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 mit dem Abgastrakt und ermöglichen es so, dass alleine der Teil der Abgase innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 die PM-Sensor-Baugruppe 200 verlässt. Die Kanäle 242 können als umwandete Durchgänge gebildet werden, wobei die Wände den Zugang zu dem ringförmigen Raum zwischen dem ersten äußeren Rohr 210 und dem inneren zweiten Rohr 220 blockieren. Daher können die Kanäle 242 vom ersten äußeren Rohr 210 abgedichtet sein. Entsprechend kann der Teil der Abgase, der in das erste äußere Rohr 210 gezogen wird, nur in das zweite innere Rohr 220 strömen, und er kann die PM-Sensor-Baugruppe nicht direkt über das erste äußere Rohr verlassen. Somit kann der Teil der Abgase innerhalb des hohlen Innenraums des zweiten inneren Rohrs 220 über einen oder mehrere Kanäle 242 ausgeleitet werden, die auf den Seitenoberflächen 256 der PM-Sensor-Baugruppe angeordnet sind.
Im Beispiel von 2 können das erste äußere Rohr 210 und das zweite innere Rohr 220 Kreisquerschnitte haben. In alternativen Ausführungsformen können verschiedene Querschnitte verwendet werden. In einem Beispiel können das erst äußere Rohr 210 und das zweite innere Rohr 220 Hohlrohre sein, die aus einem Metall gebildet wurden, das in der Lage ist, höheren Temperaturen im Abgastrakt zu widerstehen. In einem weiteren Beispiel können alternative Materialien verwendet werden. Außerdem können das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Zusätzlich kann das Material, das für die Herstellung des ersten äußeren Rohrs und des zweiten inneren Rohrs ausgewählt wurde, derartig sein, dass es Wassertröpfchen, die vom DPF freigesetzt werden, widerstehen kann.
Die PM-Sensor-Baugruppe 200 kann mit dem Abgastrakt 48 (1) auf geeignete Weise gekoppelt sein, so dass die obere Oberfläche 250 der PM-Sensor-Baugruppe mit der Wand des Abgastrakts abgedichtet verbunden ist. Die Kopplung der PM-Sensor-Baugruppe 200 mit der Wand des Abgastrakts wird nachfolgend mit Verweis auf 3 näher ausgeführt.
Das erste äußere Rohr 210 kann ein oder mehr Abflusslöcher 248 aufweisen, die auf der unteren Oberfläche 262 verteilt sind, um zu ermöglichen, das Wassertröpfchen und größere Partikel aus der PM-Sensor-Baugruppe 200 abfließen. Die Größe, Anzahl und die Position der Abflusslöcher 248 können auf den Entwurfsparametern der PM-Sensor-Baugruppe basieren. Im Beispiel der PM-Sensor-Baugruppe 200 sind zwei Abflusslöcher dargestellt. In alternativen Ausführungsformen kann die Anzahl der Abflusslöcher höher oder niedriger sein. Ferner können die Größe und die Position unterschiedlich zu der im Beispiel dargestellten sein.
Das zweite innere Rohr 220 kann an der unteren Oberfläche 264 vollständig abgedichtet und abgeschlossen sein. Das Abdichten des zweiten inneren Rohrs 220 an der unteren Oberfläche 264 kann während der Produktion der PM-Sensor-Baugruppe 200 erfolgen. Ferner kann das Abschließen der unteren Oberfläche 264 sicherstellen, dass der Teil der Abgase innerhalb des zweiten inneren Rohr 220 nur durch die Kanäle 242 ausgeleitet wird. Zusätzliche Details zur PM-Sensor-Baugruppe 200 werden unten mit Verweis zu den 3–4 ausgeführt.
Die PM-Sensor-Baugruppe 200 kann innerhalb des Ansaugtrakts 48 positioniert sein und so konfiguriert sein, dass Proben der darin strömenden Abgase genommen werden. Ein Teil der Abgase kann in die PM-Sensor-Baugruppe 200 und das erste äußere Rohr 210 über die Öffnungen 244 auf der stromaufwärtigen Seite 254 des ersten äußeren Rohrs 210 strömen. Der Teil der Abgase kann auf eine Außenseite der stromaufwärtigen Oberfläche 260 des zweiten inneren Rohrs 220 aufprallen, bevor er durch einen ringförmigen Raum zirkuliert, der zwischen dem ersten äußeren Rohr 210 und dem zweiten inneren Rohr 220 gebildet wird. Der Teil der Abgase kann dann in das zweite innere Rohr 220 über die Öffnungen 246 auf der stromabwärtigen Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs 220 eintreten und kann auf die erste Oberfläche 236 des PM-Sensors 232 aufprallen. Schließlich kann der Teil der Abgase aus dem zweiten inneren Rohr 220 (und der PM-Sensor-Baugruppe) über die Kanäle 242 ausgeleitet werden und sich mit dem Rest des Abgasstroms im Abgastrakt 48 vermischen.
Der PM-Sensor 232 kann mit einer Heizung (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die angesammelte Partikel, z. B. Rußpartikel, verbrennt, so dass der Sensor regeneriert werden kann. Auf diese Weise kann der PM-Sensor in einen Zustand zurückversetzt werden, der eher dazu geeignet ist, akkurate Informationen zum Abgas zu übermitteln. Solche Informationen können Diagnosen zum Status des DPF umfassen und können somit zumindest teilweise bestimmen, ob ein DPF-Leck vorliegt.
Wir wenden uns nun 3 zu, die schematisch eine Querschnittsansicht in Längsrichtung 300 der PM-Sensor-Baugruppe 200 auf einer Längsebene entlang der Linie D-D' aus 2 darstellt. In dem dargestellten Beispiel ist die PM-Sensor-Baugruppe 200 mit einem Auspuffrohr 310 (oder Leitung 310) gekoppelt, und die Abgase strömen innerhalb von Bereich 320. Das Auspuffrohr 310 kann ein Teil des Abgastrakts 48 aus 1 sein. Ferner strömen in dem in 3 dargestellten Beispiel die Abgase zu dem Betrachter innerhalb des Bereichs 320. Als solcher ist der Betrachter stromabwärts der PM-Sensor-Baugruppe 200 positioniert und blickt in die stromaufwärtige Richtung. Die zuvor in den 1 und 2 vorgestellten Komponenten werden in den 3–4 gleich nummeriert und werden nicht erneut vorgestellt.
In der Schnittdarstellung 300, die in 3 dargestellt wird, wird die PM-Sensor-Baugruppe 200 so gezeigt, dass sie sich radial in das Auspuffrohr 310 erstreckt und mit einem Dach des Auspuffrohrs 310 gekoppelt ist (mit senkrechter Neigung). Beispielsweise kann die PM-Sensor-Baugruppe 200 durch ein zentrales Loch (nicht gezeigt) in einen Vorsprung eingeführt und mit Auspuffrohr 310 gekoppelt werden. Hier kann der Vorsprung 344 geschweißt und an das Auspuffrohr 310 an einer Außenkante 372 angefügt werden. In anderen Beispielen kann der Vorsprung 344 an das Auspuffrohr 310 durch alternative Fügemethoden wie Löten, Ankleben etc. angefügt werden und kann ebenso an unterschiedlichen Positionen angefügt werden, einschließlich Außenkante 372.
In dem gezeigten Beispiel kann die PM-Sensor-Baugruppe 200 in den Vorsprung 344 geschraubt werden. Beispielsweise können Innengewinde auf einer inneren Oberfläche des zentralen Lochs in dem Vorsprung 344 mit dem Außengewinde in einen Teil der Verbindungsbaugruppe 314 eingreifen, die mit der PM-Sensor-Baugruppe 200 gekoppelt ist. Alternativ können andere Befestigungsmethoden verwendet werden, um die PM-Sensor-Baugruppe 200 mit dem Vorsprung 344 und damit mit dem Auspuffrohr 310 zu koppeln. Durch Einführen und Befestigen der PM-Sensor-Baugruppe 200 in bzw. an den Vorsprung 344 und damit das Auspuffrohr 310 kann über den Vorsprung 344 eine Dichtungsverbindung zwischen der oberen Oberfläche 250 der PM-Sensor-Baugruppe und dem Auspuffrohr 310 gebildet werden, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorliegen können. Somit können Abgase, die durch die PM-Sensor-Baugruppe 200 in dem Auspuffrohr 310 strömen, durch die Dichtungsverbindung nicht in die Atmosphäre entweichen.
In anderen Beispielen kann sich die PM-Sensor-Baugruppe 200 an alternativen Positionen entlang des Auspuffrohrs 310 befinden. Ferner kann PM-Sensor-Baugruppe 200 mit der Verbindungsbaugruppe 314 gekoppelt sein, die mit der Steuerung betriebsfähig verbunden sein kann.
Wie zuvor mit Verweis auf 2 beschrieben, kann das zweite innere Rohr 220 vollständig in das erste äußere Rohr 210 eingeschlossen sein. Der ringförmige Raum 364 kann zwischen dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr gebildet werden. Der PM-Sensor 232 kann so innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 positioniert sein, dass die erste Oberfläche 236 mit dem elektrischen Schaltkreis 234 in die stromabwärtige Richtung (und zum Betrachter) zeigt. Das zweite innere Rohr 220 kann über die untere Oberfläche 264 (mit vertikaler Neigung) so abgedichtet sein, dass keine Öffnungen auf der unteren Oberfläche 264 vorhanden sind. Im Gegensatz dazu kann das erste äußere Rohr 210 ein oder mehrere Abflusslöcher 248 auf seiner unteren Oberfläche 262 (mit vertikaler Neigung) aufweisen, um zu ermöglichen, dass Wassertröpfchen und größere Partikel, die innerhalb des ringförmigen Raums 364 zwischen dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr 220 vorhanden sein können, entfernt werden.
3 stellt ebenso die Kanäle 242 dar, die strömungstechnisch den inneren Raum 348 des zweiten inneren Rohrs 220 mit dem Bereich 320 innerhalb des Auspuffrohrs 310 koppeln. Die Kanäle 242 können ihren Ursprung in den Seitenoberflächen 326 des zweiten inneren Rohrs 220 haben und ermöglichen, dass Abgase innerhalb des inneren Raums 348 die PM-Sensor-Baugruppe 200 verlassen. Ferner können die Kanäle 242 auf den Seitenoberflächen 324 des ersten äußeren Rohrs 210 der PM-Sensor-Baugruppe 200 enden. Die Seitenoberflächen 256 der PM-Sensor-Baugruppe 200, die die Seitenoberflächen 324 des ersten äußeren Rohrs umfassen, sind im Wesentlichen tangential zur Richtung des Abgasstroms im Abgasrohr 310. Ferner können die Seitenoberflächen 324 des ersten äußeren Rohrs 210 in direktem Kontakt mit den Abgasen stehen, die in dem Auspuffrohr 310 strömen.
Es wird geschätzt, dass die Größen (z. B. Durchmesser) der Vielzahl der Öffnungen 244, die auf der stromaufwärtigen Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs angeordnet sind, und die Größen der Vielzahl der Öffnungen 246 auf der stromabwärtigen Oberfläche 252 des zweiten inneren Rohrs unter Verwendung eines Modells optimiert werden können, wie eines Tools zur numerischen Strömungssimulation (CFD), damit eine angemessene Gasstrom rate in die PM-Sensor-Baugruppe 200 ermöglicht wird. Das Modell kann auch die Größen der Öffnungen 244 und 246 optimieren, um die Stromgleichmäßigkeit zu verbessern. Durch Optimierung der Öffnungen kann eine zufriedenstellende Probeentnahme von Abgasen mit einer Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Stroms auftreten, was eine gleichmäßigere Ablagerung des Partikelmaterials auf der ersten Oberfläche 236 des PM-Sensors ermöglicht.
In dem vorliegenden Beispiel weist jede Gruppe von Öffnungen, also 244 und 246, sechs Öffnungen auf, wie in 2 gezeigt wird. Jedoch kann in alternativen Ausführungsformen jede Gruppe oder jedes Cluster von Öffnungen eine höhere oder geringere Anzahl an Öffnungen aufweisen. Ebenso weisen im Beispiel von 3 die Kanäle 242 auf den Seitenoberflächen 256 drei Kanäle auf jeder Seitenoberfläche auf. In alternativen Ausführungsformen kann jede Gruppen von Kanälen eine größere oder kleinere Anzahl an Kanälen aufweisen. Die Anzahl der Öffnungen und Kanäle kann auch auf den Abmessungen des ersten äußeren Rohrs 210 und des zweiten inneren Rohrs 220 basieren.
4a, 4b, und 4c stellen schematisch Querschnittsansichten der PM-Sensor-Baugruppe 200 jeweils entlang den Ebenen A-A', B-B', und C-C' dar. Als solche werden Komponenten, die zuvor in den 2 und 3 vorgestellt wurden, gleich nummeriert und nicht erneut vorgestellt.
Bezugnehmend auf 4a wird eine Querschnittsansicht 410 entlang der Ebene A-A' aus 2 dargestellt, wobei die Ansicht (410) einen Schnitt durch die PM-Sensor-Baugruppe mit einer stromaufwärtigen Ansaugöffnung 244 aufweist, die dem entgegenkommenden Abgasstrom gegenüberliegt, einer stromabwärtigen Ansaugöffnung 246 auf dem zweiten inneren Rohr und die Kanäle 242. Ein beispielhaftes Verfahren zur Probenentnahme über die PM-Sensor-Baugruppe 200 wird nachfolgend detailliert mit Verweis auf die 2, 3, und 4a aufgeführt.
Wenn Abgase von der rechten Seite zur linken Seite von 4a strömen, kann ein Teil der Abgase 432 in die PM-Sensor-Baugruppe 200 über die Ansaugöffnung 244 auf der stromaufwärtigen Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs 210 eintreten. Der Teil der Abgase 432 kann das Äußere der stromaufwärtigen Oberfläche 260 des zweiten inneren Rohrs 220 treffen, bevor er durch den ringförmigen Raum 364, der zwischen einer inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs 210 und einer äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gebildet wird, transportiert wird. So kann das zweite innere Rohr 220 während der Regeneration ein Isolierungsschild für den PM-Sensor 232 darstellen, wodurch Wärmeverlust des PM-Sensors 232 während der Regeneration reduziert wird. Der Teil der Abgase 432 kann zum stromabwärtigen Ende des ringförmigen Raums 364 durchströmen. Hier kann, auch wenn die Kanäle 242 den Durchstrom von Abgasen 432 zu blockieren scheinen, der Teil der Abgase 432 entweder über oder unter Kanal 242 innerhalb des ringförmigen Raums 364 durchfließen.
Der Teil des Abgases 432 kann Wassertröpfchen umfassen, z. B. vom DPF, und größere Partikel, ebenso wie andere verstreute Bestandteile. In einem Beispiel können sich diese Wassertröpfchen und größeren Partikel auf der stromaufwärtigen Oberfläche 260 des zweiten inneren Rohrs 220 nach dem Aufprall des Teils der Abgase 432 ablagern. Hier können die Wassertröpfchen und größeren Partikel auf die Bodenoberfläche des ersten äußeren Rohrs 210 absinken und durch die Abflusslöcher 248 abfließen. In einem weiteren Beispiel können die Wassertröpfchen und die größeren Partikel durch den ringförmigen Raum 364 transportiert werden.
Der Teil der Abgase 432 kann dann in den inneren Raum 348 im zweiten inneren Rohr 220 über die Ansaugöffnung 246 auf der stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs 220 eintreten. Hier ändert der Teil der Abgase 432 die Strömungsrichtung um 180 Grad, um vom ringförmigen Raum 364 in das zweite innere Rohr 220 einzutreten. In diesem Beispiel können Wassertröpfchen und größere Partikel durch ihren höheren Bewegungsimpuls nicht in der Lage sein, die Strömungsrichtung zu ändern und können auf einer inneren stromabwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs 210 abgelagert werden. Diese Partikel und Tröpfchen können schließlich von der Boden-Oberfläche 262 des ersten äußeren Rohrs 210 angezogen werden und über die Abflusslöcher 248 abfließen.
Wenn der Teil der Abgase 432 in das zweite innere Rohr über die Ansaugöffnungen 246 eintritt, können die Abgase auf die erste Oberfläche 236 des PM-Sensors 232 aufprallen. Durch den Aufprall der Abgase auf die Oberfläche des PM-Sensors, anstatt eines Stroms von Abgas über die Oberfläche des PM-Sensors, kann die Gleichmäßigkeit der PM-Ablagerung verbessert werden. Wie bereits zuvor mit Verweis auf 2 beschrieben, kann die erste Oberfläche 236 mit einem elektrischen Schaltkreis ausgestattet sein, so dass Partikel wie Rußpartikel sich auf der ersten Oberfläche 236 ablagern und über den elektrischen Schaltkreis 234 erfasst werden können. Der Teil der Abgase 432 kann dann den inneren Raum 348 des zweiten inneren Rohrs 220 und daher die PM-Sensor-Baugruppe 200 über die Kanäle 242 verlassen.
Wenn daher der Teil der Abgase 432 in die PM-Sensor-Baugruppe 200 eintritt, kann er zunächst in das erste äußere Rohr 210 strömen, als nächstes in das zweite innere Rohr 220 und daraufhin die PM-Sensor-Baugruppe über die Kanäle 242 verlassen. Der Teil der Abgase 432 kann daher nicht direkt in das zweite innere Rohr 220 eintreten. Ferner kann der Teil der Abgase 432 nicht das erste äußere Rohr 210 auf anderem Wege verlassen, als durch das zweite innere Rohr 220 zu strömen. Die Ansaugöffnungen 244 koppeln den Abgastrakt strömungstechnisch mit dem ringförmigen Raum 364 innerhalb des ersten äußeren Rohres 210, und die Ansaugöffnungen 246 koppeln den ringförmigen Raum 364 strömungstechnisch mit dem Innenraum 348 innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220. Ferner koppeln die Kanäle 242 strömungstechnisch den Innenraum 348 innerhalb des zweiten inneren Rohrs 220 mit dem Abgastrakt.
Auch wenn das erste äußere Rohr 210 Abflusslöcher 248 aufweist, kann der größte Teil des Abgases 432 durch den Bewegungsimpuls und den statischen Druck vom ringförmigen Raum 364 im ersten äußeren Rohr 210 in den Innenraum 348 des zweiten inneren Rohrs 220 strömen.
Es versteht sich, dass der Teil der Abgase 432 drei Veränderungen der Strömungsrichtung unterzogen wird: Eine erste Richtungsänderung, wenn der Teil der Abgase in das erst äußere Rohr 210 eintritt und sich dreht, um um den ringförmigen Raum 364 herum zu strömen, eine zweite Richtungsänderung, wenn der Teil der Abgase 432 in das zweite innere Rohr 220 durch die Öffnungen 246 eintritt, und eine dritte Richtungsänderung, wenn der Teil der Abgase 432 auf den PM-Sensor prallt und sich dreht, um die PM-Sensor-Baugruppe zu verlassen. Diese Richtungsänderungen können die Gleichmäßigkeit des Stroms verbessern und die Strömungsrate innerhalb der PM-Sensor-Baugruppe reduzieren.
Bezugnehmend auf 4b zeigt diese nun eine Querschnittsansicht 420 entlang der Ebene B-B' aus 2, wobei die Ebene einen Schnitt durch die PM-Sensor-Baugruppe umfasst, mit einer stromaufwärtigen Öffnung 244, die dem Abgasstrom gegenüberliegt, und einer stromabwärtigen Öffnung 246 auf dem zweiten inneren Rohr. Die Querschnittsansicht 420 umfasst nicht die Kanäle 242. Hier strömt der Teil der Abgase 432, der in das erste äußere Rohr 210 gezogen wird, auf ungehinderte Weise in Bezug auf Querschnittsansicht 410 durch den ringförmigen Raum 364.
4c stellt eine Querschnittsansicht 430 entlang der Ebene C-C' aus 2 dar, wobei die Querschnittsansicht 430 einen Schnitt durch die PM-Sensor-Baugruppe einschließlich der Kanäle 242, aber ohne die Öffnungen 244 oder 246 bietet.
Der Teil der Abgase 432 innerhalb des Innenraums 348 kann das zweite innere Rohr 220 über die Kanäle 242 verlassen und sich mit dem Rest des Abgasstroms, der die PM-Sensor-Baugruppe 200 umgibt, vermischen. Die Kanäle 242 werden so gezeigt, dass sie den Innenraum 348 des zweiten inneren Rohrs 220 mit dem Abgastrakt strömungstechnisch verbinden. Ferner verbinden die Kanäle 242 strömungstechnisch nicht den ringförmigen Raum 364 mit dem Abgastrakt und können durch Kanalwände 328 vom ringförmigen Raum getrennt werden. Daher können die Kanäle 242 für die Abgase innerhalb des ringförmigen Raums 364 blockiert werden und diese können den ringförmigen Raum 364 nicht über die Kanäle 242 verlassen. Die Abgase innerhalb des ringförmigen Raums 364 können den ringförmigen Raum durch die stromabwärtigen Öffnungen 246 auf dem zweiten inneren Rohr 220 verlassen.
Die Kanäle 242 können aus demselben Material gebildet sein wie das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr. In anderen Beispielen können die Kanäle 242 aus einem unterschiedlichen Material gefertigt sein, basierend auf einer einfacheren Herstellung und Funktionalität. Außerdem können das erst äußere Rohr 210, das zweite innere Rohr 220 und die Kanäle 242 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Die Kanäle 242 können durch Fügemethoden wie Schweißen, Weichlöten, Ankleben etc. an das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr angefügt werden. In einem Beispiel kann jeder Kanal als Hohlzylinder ohne Endstücke gebildet sein. Als solches kann ein zylindrischer Kanal eine gebogene Wand ohne Endoberflächen aufweisen. Ferner können in das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr Bohrungen oder Öffnungen in ihre Seitenoberflächen (324, 326) gebohrt werden, um die Kanäle aufzunehmen. Die Größe der Bohrungen kann so bemessen sein, dass sie eng um die Kanäle herum anliegen. Zusätzlich können die Bohrungen des ersten äußeren Rohrs und des zweiten inneren Rohrs so positioniert sein, dass sie aufeinander ausgerichtet sind. Beispielsweise kann eine erste Bohrung auf einer Seitenoberfläche des ersten äußeren Rohr so positioniert sein, dass sie mit einer zweiten Bohrung, die durch eine Seitenoberfläche des zweiten inneren Rohrs gebohrt wurde, ausgerichtet ist. Schließlich kann jeder Kanal durch ein Bohrungspaar eingepasst und an seinen Enden an die Bohrungen angefügt werden. Insbesondere kann ein Kanal an einem ersten Ende in eine erste Bohrung auf einer Seitenoberfläche des ersten äußeren Rohrs eingesetzt werden und ein zweites Ende des Kanals kann in eine zweite Bohrung auf einer Seitenoberfläche des zweiten inneren Rohrs eingesetzt werden. Ferner können das erste Ende und das zweite Ende des Kanals jeweils an die erste und zweite Bohrung auf dem ersten äußeren Rohr und dem zweiten inneren Rohr angefügt werden. Auf diese Weise kann eine strömungstechnische Kopplung zwischen einem Innenraum, der im zweiten inneren Rohr eingeschlossen ist, und dem Abgastrakt gebildet werden. Ferner kann das erste äußere Rohr nicht strömungstechnisch mit den Kanälen zum Abgastrakt verbunden sein.
Somit wird hier eine Ausführungsform eines Feinstaub-(PM-)Sensors vorgestellt, die ein erstes äußere Rohr mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen auf einer stromaufwärtigen Oberfläche bietet, ein zweites inneres Rohr mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche, und einen Feinstaub-Sensor, der innerhalb des zweiten inneren Rohrs platziert ist. Die stromaufwärtige Oberfläche kann eine Oberfläche sein, die lotrecht zu dem Strom der Abgase liegt und ihm gegenüberliegt, und die stromabwärtige Oberfläche kann eine Oberfläche sein, die vom Strom der Abgase im Abgastrakt weg zeigt.
Ferner kann das zweite innere Rohr so innerhalb des ersten äußeren Rohrs angeordnet sein, dass eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs parallel zu einer zentralen Achse des ersten äußeren Rohrs liegt. Außerdem können das erste äußere Rohr und das zweite innere Rohr an der Oberseite gegenüber der Vertikalen abgedichtet sein, wenn sie in ein Abgassystem eines Fahrzeugs gekoppelt sind, das sich auf einer Straße bewegt. Das erste äußere Rohr kann ebenfalls eine Vielzahl von Abflusslöchern auf einer Boden-Oberfläche gegenüber der Vertikalen aufweisen. Zusätzlich kann eine untere Oberfläche des zweiten inneren Rohrs in vertikaler Hinsicht abgedichtet sein. Der Feinstaub-Sensor innerhalb des zweiten inneren Rohrs kann einen elektrischen Schaltkreis auf einer ersten Oberfläche umfassen, und dieser kann innerhalb des zweiten inneren Rohrs so platziert sein, dass die erste Oberfläche mit dem elektrischen Schaltkreis der stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gegenüberliegt.
Wir wenden uns nun 5 zu, in der Fluid (z. B. Abgas) gezeigt wird, das um die PM-Sensor-Baugruppe 200 herum strömt. Die Stelle mit der Kennzeichnung ”A” entspricht der stromaufwärtigen Oberfläche 254 des ersten äußeren Rohrs 210, die Stelle mit der Kennzeichnung ”B” entspricht der stromabwärtigen Oberfläche 258 des ersten äußeren Rohrs 210, und die Stellen mit den Kennzeichnungen ”C” und ”D” entsprechen den Seitenoberflächen 324 des ersten äußeren Rohrs der 210 PM-Sensor-Baugruppe 200.
6 stellt graphisch das Ergebnis einer CFD-Berechnung auf der Grundlage des Aufbaus aus 5 dar. Dieses Ergebnis zeigt auf, dass der Gasstrom um die PM-Sensor-Baugruppe 200 und insbesondere das erste äußere Rohr 210 herum eine Schwankung des statischen Drucks entlang des Äußeren der Sensor-Baugruppe verursacht. Ferner zeigt 6, dass ein höherer statischer Druck an einer stromaufwärtigen Stelle bestehen kann, während ein geringerer statischer Druck an jeder der äußeren Oberflächen C und D bestehen kann. Ferner kann der statische Druck an Stelle B höher sein als an den Seitenoberflächen C und D, aber geringer als der statische Druck an Stelle A. In anderen Worten kann die Positionierung der Ansaugöffnungen an der Stelle A (und in geringerem Ausmaß an Stelle B) und der Ausgangskanäle an den Seitenoberflächen C und D für die Probenentnahme von Abgasen vorteilhafter sein. Durch den geringen statischen Druck an den Seitenoberflächen werden auf natürliche Weise Abgase aus dem Inneren der PM-Sensor-Baugruppe herausgezogen, während der höhere statische Druck an Stelle A (und in geringerem Ausmaß an Stelle B) ein leichteres Einziehen von Abgasen in die PM-Sensor-Baugruppe ermöglichen kann. In den hier beschriebenen Ausführungsformen können die Ansaugöffnungen und die Ausgangskanäle so positioniert sein, dass sie diesen Effekt vorteilhaft ausnutzen.
Wir wenden uns nun 7 zu, in der ein beispielhafter Ablauf 700 zur Erkennung von Feinstaub gezeigt wird. Die PM-Sensor-Baugruppe, die mit Verweis auf die 2–4 beschrieben wird, kann verwendet werden, um Feinstaub in Abgasen zu erfassen, die aus einem DPF austreten. Beispielswese kann ein DPF-Leck durch die PM-Sensor-Baugruppe erfasst werden, auf der Grundlage der erkannten Konzentration von Feinstaub in den Abgasen.
Unter 702 kann der Abgasstrom durch einen Abgastrakt stromaufwärts der PM-Sensor-Baugruppe geleitet werden. Unter 704 kann ein erster Teil der Abgase in das erste äußere Rohr über Ansaugöffnungen eingelassen werden, die sich auf einer stromaufwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs befinden. Beispielsweise kann, während Abgase durch einen Abgastrakt eines Motors und an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen, ein Teil dieser Abgase über eine Reihe Einlassöffnungen auf dem ersten äußeren Rohr in die PM-Sensor-Baugruppe eintreten. Gleichzeitig kann unter 706 der restliche Teil der Abgase (z. B. andere Abgase als der erste Teil, der in die PM-Sensor-Baugruppe eintritt) an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen. Als solches können die Abgase an dem ersten äußeren Rohr der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen und einen geringeren statischen Druck an den Seitenoberflächen erzeugen, wie dies mit Verweis auf 6 beschrieben wurde.
Unter 708 kann der erste Teil der Abgase, der in das erste äußere Rohr eingelassen wird, durch den ringförmigen Raum geleitet werden, der zwischen einer inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs und einer äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gebildet wird. Schließlich kann der erste Teil der Abgase zu dem stromabwärtigen Ende der PM-Sensor-Baugruppe geleitet werden. Hier können schwerere, größere Partikel und/oder Wassertröpfchen, die in dem ersten Teil der Abgase enthalten sein können, entweder auf der inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs abgelagert werden, oder auf der äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs. Als nächstes kann unter 710 der erste Teil der Abgase über Öffnungen, die sich auf der stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs befinden, in das zweite innere Rohr eingelassen werden. Der erste Teil der Abgase innerhalb des zweiten inneren Rohrs kann einen geringeren Anteil an Wassertröpfchen und/oder größeren Partikeln enthalten.
Unter 712 kann der erste Teil der Abgase auf eine Oberfläche des PM-Sensors aufprallen, die einen elektrischen Schaltkreis umfasst. Ferner können Rußpartikel und andere Partikel in dem ersten Teil der Abgase auf der Oberfläche des PM-Sensors abgelagert werden. Außerdem kann die Steuerung eine Rückmeldung vom PM-Sensor erhalten. Als nächstes kann unter 714 der erste Teil der Abgase vom zweiten inneren Rohr durch Ausgangskanäle, die an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe mit dem geringsten Druck angeordnet sind, freigesetzt werden. Wie zuvor unter 706 beschrieben kann ein geringerer statischer Druck an den Seitenoberflächen des ersten äußeren Rohrs erzeugt werden, indem die übrigen Abgase an dem ersten äußeren Rohr der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen. Der geringere Druck kann dabei helfen, den ersten Teil der Abgase aus der PM-Sensor-Baugruppe herauszuziehen. Unter 716 kann sich der erste Teil der Abgase, der die PM-Sensor-Baugruppe verlässt, mit den übrigen Abgasen vermischen, die an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen.
Auf diese Weise umfasst ein Verfahren zur Erkennung von Feinstaub in einem Abgastrakt das Führen eines Teils des Abgases in ein erstes äußeres Rohr durch eine erste Vielzahl von Perforationen auf einer stromaufwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs, das Leiten des Teils des Abgases in ein zweites inneres Rohr, durch eine zweite Vielzahl von Perforationen auf einer stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohres und strömen lassen des Teils des Abgases auf einen Feinstaub-Sensor, der sich innerhalb des zweiten inneren Rohrs befindet. Das Verfahren umfasst ferner das Leiten des Teils des Abgases über Ausgangskanäle aus dem zweiten inneren Rohr heraus in den Abgastrakt.
Wir wenden uns nun 8 zu, in der eine alternative Ausführungsform 800 der PM-Sensor-Baugruppe 200 der 2–4 aufgezeigt wird. PM-Sensor-Baugruppe 800 wird auf eine ähnliche Weise wie PM-Sensor-Baugruppe 200 gebildet, ist aber in einem Abgastrakt in umgekehrter Richtung angeordnet. Insbesondere ist die PM-Sensor-Baugruppe 800 so angeordnet, dass die Ansaugöffnungen auf dem ersten äußeren Rohr auf einer stromabwärtigen Oberfläche auf dem ersten äußeren Rohr sind. Zusätzlich sind die Ansaugöffnungen auf dem zweiten inneren Rohr auf einer stromaufwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs angeordnet. In anderen Worten ist die PM-Sensor-Baugruppe 800 in umgekehrter Ausrichtung zu PM-Sensor-Baugruppe 200 hinsichtlich der Richtung des Abgasstroms vom DPF angeordnet.
In der in 8 gezeigten Ausführungsform strömen die Gase von der linken Seite zu der rechten Seite von 8. Somit wir die PM-Sensor-Baugruppe 800 von einem stromaufwärtigen Blickwinkel dargestellt. Eine Anordnung wie die in 8 kann in Motoren mit größeren Hubräumen verwendet werden, wobei die Rate des Abgasstroms höher sein kann, wohingegen die Ausführungsform aus 2–4, also die PM-Sensor-Baugruppe 200, für Motoren mit kleineren Hubräumen verwendet werden kann.
Der Betrieb der PM-Sensor-Baugruppe 800 wird hier mit Verweis auf die 8 und 9 beschrieben. 9 ist eine Querschnittsansicht 900 auf einer Querschnittsebene entlang der Ebene Y-Y' aus 8. Ferner weist die Querschnittsansicht 900 eine Ansaugöffnung 844 auf dem ersten äußeren Rohr auf, eine Ansaugöffnung 846 auf dem zweiten inneren Rohr und Ausgangskanäle 842.
Ein Teil der Abgase 932 kann in die PM-Sensor-Baugruppe 800 durch Ansaugöffnungen 844 eintreten, die sich auf einer stromabwärtigen Oberfläche 854 des ersten inneren Rohrs 810 befinden. Die stromabwärtige Oberfläche 854 ist im Wesentlichen lotrecht zu dem Abgasstrom und zeigt von diesem weg. Hier kann die PM-Sensor-Baugruppe 800 keine Ansaugöffnungen auf einer stromauf gerichteten Oberfläche 858 des ersten äußeren Rohrs 810 umfassen, das dem entgegenkommenden Abgasstrom gegenüberliegen kann. Ferner kann der Teil der Abgase 932 in die PM-Sensor-Baugruppe auf ungehinderte Weise eintreten.
Der Teil der Abgase 932 kann dann durch den ringförmigen Raum 864 geleitet werden, der zwischen einer inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs 810 und einer äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs 820 gebildet wird. Die Öffnungen 846, die sich auf einer stromaufwärtigen Oberfläche 852 des zweiten inneren Rohrs 820 befinden, können dann den Teil der Abgase 932 in den Innenraum 948 innerhalb des zweiten inneren Rohrs 820 einlassen. Die stromaufwärtige Oberfläche 852 des zweiten inneren Rohrs 820 kann im Wesentlichen lotrecht zu der Strömungsrichtung der Abgase sein und dem Abgasstrom gegenüberliegen. Jedoch kann die stromaufwärtige Oberfläche 852 des zweiten inneren Rohrs 820 nicht in direktem Kontakt mit dem Abgastrakt stehen, da das zweite innere Rohr innerhalb des ersten äußeren Rohrs 810 eingeschlossen ist. Jedoch kann das zweite innere Rohr 820 in direktem Kontakt mit dem Teil der Abgase 932 innerhalb der PM-Sensor-Baugruppe 800 stehen.
Bei dem Eintritt in den Innenraum 948 kann der Teil der Abgase 932 auf den PM-Sensor 832 aufprallen. Ein elektrischer Schaltkreis 834 kann sich auf einer ersten Oberfläche 836 des PM-Sensors 832 befinden. Ferner kann der PM-Sensor 832 so innerhalb des zweiten inneren Rohrs 820 positioniert sein, dass die erste Oberfläche 836 und der elektrische Schaltkreis 834 den stromaufwärtigen Öffnungen 846 auf dem zweiten inneren Rohr 820 gegenüberliegen. Insbesondere kann die erste Oberfläche 836 des PM-Sensors 832 dem eingehenden Strom des Teils der Abgase 932 gegenüberliegen und so eine gleichmäßigere Ablagerung von PM erlauben.
Nach dem Aufprall auf den PM-Sensor 832 kann der Teil der Abgase 932 die PM-Sensor-Baugruppe über die Kanäle 842 auf den Seitenoberflächen 856 verlassen. Der Teil der Abgase 932, der die PM-Sensor-Baugruppe 800 verlässt, wird als gestrichelte Linien dargestellt, um ihn von dem Abgasstrom zu unterschieden, der außerhalb der PM-Sensor-Baugruppe 200 vorhanden ist. Die Kanäle 842 koppeln, wie die Kanäle 242, strömungstechnisch das zweite innere Rohr 820 mit dem Abgastrakt. Insbesondere kann der Innenraum 948 innerhalb des zweiten inneren Rohrs 820 ohne Blockierungen mit dem Abgastrakt strömungstechnisch verbunden sein. Entsprechend kann der freie Durchgang für den Teil des Abgases innerhalb des Innenraums 948 dadurch ermöglicht werden, dass ein Strom des Teils der Abgase von innerhalb des zweiten inneren Rohrs 820 in den Abgastrakt erlaubt wird. Es versteht sich, dass die Kanäle 842, wie die Kanäle 242, strömungstechnisch nicht das erste äußere Rohr 810 mit dem Abgastrakt koppeln können. Insbesondere stehen die Kanäle 842 nicht in strömungstechnischer Kommunikation mit dem ringförmigen Raum 864. Die Kanäle 842 können Wände 828 aufweisen, die die strömungstechnische Kommunikation zwischen dem ersten äußeren Rohr 810 (und dem ringförmigen Raum 864) und dem Abgastrakt blockieren.
Ferner kann das erste äußere Rohr 810 Abflusslöcher 848 aufweisen, um zu ermöglichen, dass Wassertröpfchen und/oder größere Partikel, die sich entweder auf der inneren stromaufwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs 810 oder auf der äußeren stromabwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs 820 ablagern können, entfernt werden können. Ähnlich zu PM-Sensor-Baugruppe 200 können größere Partikel und/oder Wassertröpfchen, die in das erste äußere Rohr 810 eintreten, einen höheren Bewegungsimpuls haben, das ihren Transport in das zweite innere Rohr 820 über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit an den stromaufwärtigen Öffnungen 846 reduziert. Ferner können Wassertröpfchen und größere Partikel ebenso auf die äußere stromabwärtige Oberfläche des zweiten inneren Rohrs 820 aufprallen, wenn der Teil der Abgase 932 in das erste äußere Rohr 810 eintritt. Folglich können diese Partikel und Tröpfchen sich ansammeln und sich nach unten in die Nähe der Boden-Oberfläche 862 (in vertikaler Hinsicht) des ersten äußeren Rohrs 810 absetzen und durch die Abflusslöcher 848 abfließen.
Alle übrigen Aspekte der PM-Sensor-Baugruppe 800 können ähnlich der PM-Sensor-Baugruppe 200 sein. Beispielsweise kann das zweite innere Rohr 820 konzentrisch innerhalb des ersten äußeren Rohrs 810 positioniert sein. Somit kann eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs 820 parallel zu einer zentralen Achse des ersten äußeren Rohrs 810 liegen oder mit dieser zusammenfallen. Im Beispiel von 8 kann die zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs 820 mit der zentralen Achse W-W' des ersten äußeren Rohrs 810 übereinstimmen und dieselbe sein. In alternativen Ausführungsformen können die zentralen Achsen auch nicht zusammenfallen, sondern parallel liegen.
Daher kann die Ausführungsform der PM-Sensor-Baugruppe, die in den 8 und 9 dargestellt wird, ein System sein, das ein erstes äußeres Rohr mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche umfasst, ein zweites inneres Rohr mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen auf einer stromaufwärtigen Oberfläche, und einen Feinstaub-Sensor, der innerhalb des zweiten inneren Rohrs platziert ist. Ferner ist das zweite innere Rohr innerhalb des ersten äußeren Rohrs so positioniert, dass eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs parallel zu einer zentralen Achse des ersten äußeren Rohrs liegt und ein ringförmiger Raum zwischen dem zweiten inneren Rohr und dem ersten äußeren Rohr besteht. Zusätzlich ist der Feinstaub-Sensor innerhalb des zweiten inneren Rohrs so positioniert, dass eine erste Oberfläche des Feinstaub-Sensors mit einem elektrischen Schaltkreis der Vielzahl der Gas-Ansaugöffnungen auf der stromaufwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gegenüberliegt. Das erste äußere Rohr hat eine Vielzahl von Abflusslöchern auf einer Boden-Oberfläche in vertikaler Hinsicht, während eine untere Oberfläche des zweiten inneren Rohrs abgedichtet ist. Des Weiteren verbinden ein oder mehrere Kanäle strömungstechnisch das zweite innere Rohr und den Abgastrakt des Motors und verbinden nicht das erste äußere Rohr mit dem Abgastrakt.
10 zeigt einen beispielhaften Ablauf 1000 zur Erfassung von Feinstaub in Abgasen, die aus einem DPF austreten, unter Verwendung einer PM-Sensor-Baugruppe 800, die in den 8 und 9 beschrieben wurde. Unter 1004 können Abgase durch einen Abgastrakt an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei geleitet werden. Unter 1006 kann ein Teil der Abgase in das erste äußere Rohr über Ansaugöffnungen eingelassen werden, die sich auf der stromabwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs befinden. Beispielsweise kann, wenn Abgase durch einen Abgastrakt eines Motors und an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen, ein Teil dieser Abgase in die PM-Sensor-Baugruppe über eine Reihe von Einlassöffnungen auf der stromabwärtigen Oberfläche des ersten äußeren Rohrs eintreten. Wie oben mit Verweis auf 6 beschrieben wurde, kann ein höherer statischer Druck an der stromabwärtigen Oberfläche der PM-Sensor-Baugruppe bestehen als an deren Seitenoberflächen. Daher können die Abgase, die an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen, an deren stromabwärtigen Seite in das erste äußere Rohr gezogen werden. Ferner können durch den Hochgeschwindigkeitsstrom von Abgasen an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe Bereiche mit geringem statischem Druck an jeder Seitenoberfläche erzeugt werden.
Unter 1008 kann der Teil der Abgase, der in das erste äußere Rohr eingelassen wird, durch den ringförmigen Raum geleitet werden, der zwischen einer inneren Oberfläche des ersten äußeren Rohrs und einer äußeren Oberfläche des zweiten inneren Rohrs gebildet wird. Hier kann der Teil der Abgase zu dem stromaufwärtigen Ende der PM-Sensor-Baugruppe geführt werden. Daher kann bei 1010 der Teil der Abgase über Öffnungen, die sich auf der stromaufwärtigen Oberfläche des zweiten inneren Rohrs befinden, in das zweite innere Rohr eingelassen werden. Der Teil der Abgase innerhalb des zweiten inneren Rohrs kann einen geringeren Anteil an Wassertröpfchen und/oder größeren Partikeln umfassen. Wassertröpfchen und/oder größere Partikel können nicht in das zweite innere Rohr eintreten, da sie einen höheren Bewegungsimpuls haben, der ihre Fähigkeit, die Strömungsrichtung zum Eintritt in das zweite innere Rohr zu ändern, reduziert.
Unter 1012 kann der Teil der Abgase auf eine Oberfläche des PM-Sensors aufprallen, die einen elektrischen Schaltkreis umfasst. Ferner können Rußpartikel und andere Partikel innerhalb des Teils der Abgase sich auf der Oberfläche des PM-Sensors ablagern. Außerdem kann die Steuerung eine Rückmeldung vom PM-Sensor erhalten. Als nächstes kann unter 1014 der Teil der Abgase aus dem inneren Rohr über Ausgangskanäle freigesetzt werden, die an den Seitenoberflächen angeordnet sind. Wie zuvor unter 1006 beschrieben wurde, kann ein geringerer statischer Druck an den Seitenoberflächen des ersten äußeren Rohrs durch den Hochgeschwindigkeitsstrom der Abgase erzeugt werden, die an dem ersten äußeren Rohr der PM-Sensor-Baugruppe vorbei strömen. Der geringere Druck kann dabei helfen, den Teil der Abgase aus der PM-Sensor-Baugruppe herauszuziehen. Unter 1016 kann der Teil der Abgase, der die PM-Sensor-Baugruppe verlässt, sich mit den Abgasen mischen, die an der PM-Sensor-Baugruppe im Abgastrakt vorbei strömen.
Auf diese Weise umfasst ein Verfahren zur Erkennung von Feinstaub in einem Abgastrakt das Führen eines Teils des Abgases durch eine Vielzahl von Perforationen auf der stromabwärtigen Oberfläche eines ersten äußeren Rohrs in das erste äußere Rohr, das Leiten des Teils des Abgases durch eine Vielzahl von Perforationen auf der stromaufwärtigen Oberfläche eines zweiten inneren Rohrs in das zweite innere Rohr, und das Strömen lassen des Teils des Abgases auf einen Feinstaub-Sensor, der sich innerhalb des zweiten inneren Rohrs befindet. Das Verfahren umfasst ferner das Leiten des Teils des Abgases über Ausgangskanäle an den Seitenoberflächen aus dem zweiten inneren Rohr heraus in den Abgastrakt.
Wir wenden uns nun 11 zu, wo noch eine weitere Ausführungsform 1100 einer PM-Sensor-Baugruppe dargestellt wird. Insbesondere bietet die Ausführungsform 1100 ein einzelnes Schutzrohr, das den PM-Sensor umgibt, anders als in den PM-Sensor-Baugruppen 200 und 800, die zwei Schutzrohre um ihren jeweiligen PM-Sensor herum bieten.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform strömen die Abgase von der rechten Seite zur linken Seite von 11. Somit ist die Ansicht der PM-Sensor-Baugruppe 1100 von einem stromabwärtigen Blickwinkel aus.
PM-Sensor-Baugruppe 1100 umfasst ein Schutzrohr 1120 mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen 1146 auf einer stromabwärtigen Oberfläche 1152 des Schutzrohrs 1120. Eine stromaufwärtige Oberfläche 1154 des Schutzrohrs 1120 ist im Wesentlichen lotrecht zu dem entgegenkommenden Abgasstrom und steht ihm gegenüber. Das Schutzrohr 1120 weist ebenso mehrere Ausgangsöffnungen 1148 auf seinen Seitenoberflächen 1156 auf. Ferner kann ein PM-Sensor 1132 innerhalb des Schutzrohrs 1120 positioniert werden. Eine erste Oberfläche 1136 des PM-Sensors 1132 kann einen elektrischen Schaltkreis 1134 bieten, und PM-Sensor 1132 kann so innerhalb des Schutzrohrs 1120 angeordnet werden, dass die erste Oberfläche 1136 den stromabwärts gelegenen Ansaugöffnungen 1146 gegenüberliegt. Somit kann ein elektrischer Schaltkreis 1134 einem von den stromabwärts gelegenen Ansaugöffnungen 1146 eingehenden Abgasstrom ausgesetzt werden. PM-Sensor 1132 kann so innerhalb des Schutzrohrs 1120 positioniert werden, dass eine zentrale Achse in der Längsrichtung des PM-Sensors 1132 parallel zu einer zentralen Achse des Schutzrohrs 1120 liegt. In dem in 11 gezeigten Beispiel können die zentrale Achse des PM-Sensors 1132 und die des Schutzrohrs 1120 bei der Achse M-M' zusammenfallen. Somit kann der PM-Sensor 1132 zentral innerhalb des Schutzrohrs 1120 positioniert sein. Alternative Anordnungen des PM-Sensors 1132 innerhalb des Schutzrohrs 1120 können in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Die PM-Sensor-Baugruppe 1100 kann an ihrer oberen Oberfläche 1150 (bei vertikaler Anordnung) durch die Wand des Abgastraktes abgedichtet werden, ähnlich zu der PM-Sensor-Baugruppe 200. Als solches kann eine Dichtungsverbindung zwischen einer Wand des Abgastraktes und der PM-Sensor-Baugruppe 1100 erreicht werden, um das Austreten von Abgasen aus dem Abgastrakt in die Atmosphäre zu reduzieren. Ferner kann die untere Oberfläche 1162 des Schutzrohrs 1120 abgeschlossen und versiegelt werden. Insbesondere kann die PM-Sensor-Baugruppe in einer Weise gebildet werden, so dass die einzigen Aussparungen an dem Schutzrohr 1120 die Ansaugöffnungen 1146 und die Auslassöffnungen 1148 sind.
Daher umfasst die Ausführungsform des PM-Sensors aus 11 ein System, das einen PM-Sensor aufweist, der in einem Schutzrohr eingeschlossen ist, wobei das Schutzrohr über eine Vielzahl von Abgas-Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche des Schutzrohrs verfügt und über eine Vielzahl von Ausgangsöffnungen auf den Seitenoberflächen dieses Schutzrohrs. Ferner kann der PM-Sensor so innerhalb des Schutzrohrs angeordnet sein, dass eine zentrale Achse des PM-Sensors parallel zu einer zentralen Achse des Schutzrohrs liegt. Zusätzlich kann der PM-Sensor über einen elektrischen Schaltkreis auf einer ersten Oberfläche verfügen, und der PM-Sensor kann innerhalb des Schutzrohrs so positioniert sein, dass die erste Oberfläche der Vielzahl der Abgas-Ansaugöffnungen auf der stromabwärtigen Seite des Schutzrohrs gegenüberliegt.
12 zeigt eine Querschnittsansicht 1200 entlang der Ebene Z-Z' der PM-Sensor-Baugruppe 1100 aus 11. Die Querschnittsansicht 1200 entlang der Ebene Z-Z' weist eine stromabwärtige Ansaugöffnung 1146 und eine Ausgangsöffnung 1148 auf dem Schutzrohr 1120 auf. Die Abgase strömen von der rechten Seite von 12 zur linken Seite von 12.
Während Abgase an der PM-Sensor-Baugruppe 1100 in einem Abgastrakt vorbeiströmen, kann ein Teil der Abgase 1264 in die PM-Sensor-Baugruppe 1100 durch die stromabwärtigen Ansaugöffnungen 1146 des Schutzrohrs 1120 eintreten. Insbesondere kann der Teil der Abgase in einen Innenraum 1242 eintreten, der innerhalb des Schutzrohrs 1120 eingeschlossen ist. Wie bereits zuvor mit Verweis auf die 5 und 6 erläutert, kann ein höherer statischer Druck (mit geringer Geschwindigkeit) an einem stromabwärtigen Ende der PM-Sensor-Baugruppe 1100 erzeugt werden, wenn die Abgase an der PM-Sensor-Baugruppe 1100 vorbei strömen. Dieser höhere statische Druck kann bei dem Eintreten des Abgases 1264 in die PM-Sensor-Baugruppe 1100 helfen.
Der Teil der Abgase 1264, der in den Innenraum 1242 eintritt, kann auf die erste Oberfläche 1136 des PM-Sensors 1132 aufprallen. Ferner kann der Teil der Abgase die PM-Sensor-Baugruppe 1100 über die Ausgangsöffnungen 1148 auf den Seitenoberflächen 1156 verlassen und sich mit den Abgasen vermischen, wenn diese an dem Sensor vorbei strömen. Der Teil der Abgase 1264, der die PM-Sensor-Baugruppe verlässt, wird als gestrichelte Linien dargestellt, um ihn von den übrigen Abgasen im Abgastrakt zu unterschieden, die an der PM-Sensor-Baugruppe 1100 vorbei strömen. Wie zuvor mit Verweis auf die 5 und 6 beschrieben, können die Abgase, die an dem Schutzrohr 1120 vorbei strömen, Bereiche mit geringerem statischen Druck an den Seitenoberflächen 1156 des Schutzrohrs 1120 erzeugen. Diese Bereiche mit geringerem statischem Druck können den Teil der Abgase 1264 aus dem Innenraum 1242 des Schutzrohrs 1120 herausziehen.
Die Größen und Positionen der Abgas-Ansaugöffnungen 1146 können unter Verwendung eines Modells optimiert werden, wie eines Tools zur numerischen Strömungssimulation (CFD), um eine gleichmäßigere Strömungsrate über die erste Oberfläche 1136 des PM-Sensors 1132 zu ermöglichen. Durch Ermöglichung einer gleichmäßigeren Strömungsrate des Teils der Abgase 1264 auf den PM-Sensor 1132 kann eine gleichmäßigere Ablagerung von Partikeln auf der ersten Oberfläche 1136 auftreten. Ferner kann durch Verwendung einer PM-Sensor-Baugruppe wie der PM-Sensor-Baugruppe 1100 der Teil der Abgase 1264 als Probe von einer Stelle genommen werden, die näher an der zentralen Achse des Abgastraktes liegt, anstatt Proben der Abgase, die näher an einer Peripherie des Abgastraktes liegen. Abgase im Zentrum des Abgastraktes können eine Feinstaubkonzentration enthalten, die für die durchschnittliche Feinstaubkonzentration repräsentativer ist. Daher kann die Genauigkeit der Ausgangswerte des PM-Sensors erhöht werden.
Wir wenden uns nun 13 zu, in der ein Verfahren zur Probenentnahme von Abgasen unter Verwendung der PM-Sensor-Baugruppe 1100 gezeigt wird. Insbesondere wird eine Probe der Abgase durch die Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche des Schutzrohrs angezogen und es wird zugelassen, dass sie auf die Oberfläche eines PM-Sensors aufprallen.
Unter 1302 können Abgase durch einen Abgastrakt an der PM-Sensor-Baugruppe vorbei geführt werden. Als solches können die Abgase mit dem Abgastrakt von stromaufwärts der PM-Sensor-Baugruppe bis stromabwärts der PM-Sensor-Baugruppe strömen. Unter 1304 kann ein Teil der Abgase in das Schutzrohr der PM-Sensor-Baugruppe gezogen werden. Insbesondere kann der Teil der Abgase durch eine Vielzahl von Ansaugöffnungen auf einer stromabwärtigen Oberfläche des Schutzrohrs in das Schutzrohr eintreten.
Unter 1306 kann der Teil der Abgase auf und über eine Oberfläche des PM-Sensors strömen gelassen werden, der sich innerhalb des Schutzrohrs befindet. Der Teil der Abgase kann auf einen elektrischen Schaltkreis prallen, der sich auf der Oberfläche des PM-Sensors befindet. Der Aufprall kann eine gleichmäßigere Ablagerung des Feinstaubs auf der Oberfläche des PM-Sensors erlauben. Unter 1308 kann der Teil der Abgase im Schutzrohr aus Ausgangskanälen an den Seitenoberflächen des Schutzrohrs freigesetzt werden. Ein geringerer statischer Druck an den Seitenoberflächen kann dabei helfen, den Teil der Abgase aus der PM-Sensor-Baugruppe herauszuziehen. Ferner kann sich unter 1310 der Teil der Abgase mit dem Rest der Abgase vermischen, die an den Seitenoberflächen der PM-Sensor-Baugruppe im Abgastrakt vorbei strömen.
Auf diese Weise kann ein Feinstaub-Sensor durch zwei Schutzrohre abgeschirmt werden, was auch die gleichmäßige Ablagerung verbessert. Die Probe der Abgase, die in die Sensor-Baugruppe hineingezogen wird, kann Änderungen der Strömungsrichtung unterzogen werden, was dabei hilft, die Strömungsrate zu reduzieren. Ferner können Ansaugöffnungen auf dem zweiten inneren Rohr optimiert werden, um einen gleichmäßigen Strom von als Probe genommenen Gasen auf die Oberfläche des Feinstaub-Sensors zur Verfügung zu stellen. Außerdem kann durch die Verwendung einer Feinstaub-Sensor-Baugruppe, deren Ansaugöffnungen eine Änderung der Strömungsrichtung des Gases erzwingen, der Feinstaub-Sensor von einer Kontamination durch größere Partikel und Wassertröpfchen abgeschirmt werden.
Beachten Sie, dass die beispielhaften Steuer- und Beurteilungsprozeduren, die hier enthalten sind, mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die Steuerverfahren und -prozeduren, die hier offenbart werden, können als ausführbare Befehle in nichtflüchtigen Speichern gespeichert werden. Die spezifischen Prozeduren, die hier beschrieben werden, können eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie ereignisgesteuert, interrupt-gesteuert, Multitasking, Multithreading und ähnliches. Als solches können verschiedene Maßnahmen, Vorgänge und/oder Funktionen in der abgebildeten Reihenfolge oder parallel durchgeführt werden, oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Bearbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, jedoch wird sie für eine leichtere Illustration und Beschreibung zur Verfügung gestellt. Eine oder mehrere der illustrierten Maßnahmen, Vorgänge und/oder Funktionen können wiederholt durchgeführt werden, abhängig von der bestimmten Strategie, die verwendet wird. Ferner können die beschriebenen Maßnahmen, Vorgänge und/oder Funktionen graphisch einen Code darstellen, der in den nichtflüchtigen Speicher des durch einen Computer lesbaren Speichermediums im Motorsteuerungssystem programmiert wird.
Es versteht sich, dass die Konfigurationen und Prozeduren, die hier offenbart werden, von beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn anzusehen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die oben aufgeführte Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, 4-Takt-Boxermotoren und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen ein, sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
Die nachfolgenden Ansprüche weisen insbesondere auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neuartig und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können „ein” Element oder „ein erstes” Element oder etwas Gleichwertiges bezeichnen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Einbindung einer oder mehrerer dieser Elemente umfassen, wobei zwei oder mehrere dieser Elemente nicht erforderlich sind oder ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Subkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Ergänzung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer damit verbundenen Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden ebenso, auch wenn sie einen weiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Umfang als die ursprünglichen Ansprüche haben, als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen angesehen.

Claims

System zur Erkennung von Feinstaub in einem Abgastrakt eines Motors, Folgendes umfassend: ein erstes äußeres Rohr (210) mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen (244) auf einer stromaufwärtigen Oberfläche (254); ein zweites inneres Rohr (220) mit einer Vielzahl von Gas-Ansaugöffnungen (246) auf einer stromabwärtigen Oberfläche (252); und einen Feinstaub-Sensor (162, 232), der innerhalb des zweiten inneren Rohrs (220) platziert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das zweite innere Rohr (220) innerhalb des ersten äußeren Rohrs (210) angeordnet ist, und wobei eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs (220) parallel zu einer zentralen Achse (X-X') des ersten äußeren Rohrs (210) liegt.
System nach Anspruch 1, wobei der Feinstaub-Sensor (162, 232) über einen elektrischen Schaltkreis (234) auf einer ersten Oberfläche (236) verfügt.
System nach Anspruch 3, wobei der Feinstaub-Sensor (232) innerhalb des zweiten inneren Rohrs (220) so platziert wurde, dass die erste Oberfläche (236) mit dem elektrischen Schaltkreis (234) der stromabwärtigen Oberfläche (252) des zweiten inneren Rohrs (220) gegenüberliegt.
System nach Anspruch 1, wobei das erste äußere Rohr (210) und das zweite innere Rohr (220) bei vertikaler Anordnung jeweils oben abgedichtet sind, wenn sie in ein Abgassystem eines Fahrzeugs gekoppelt sind, das sich auf einer Straße bewegt.
System nach Anspruch 5, wobei das erste äußere Rohr (210) eine Vielzahl von Abflusslöchern (248) auf einer bei vertikaler Anordnung unteren Fläche (262) aufweist.
System nach Anspruch 6, wobei eine bei vertikaler Anordnung untere Oberfläche (264) des zweiten inneren Rohrs abgedichtet ist.
System nach Anspruch 7, wobei ein oder mehrere Ausgangskanäle (242) das zweite innere Rohr (220) strömungstechnisch mit dem Abgastrakt (310) verbinden.
System nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärtige Oberfläche (254) eine Oberfläche aufweist, die lotrecht zu dem Strom der Abgase im Abgastrakt (310) steht und ihm gegenüberliegt, und wobei die stromabwärtige Oberfläche (252) eine Oberfläche aufweist, die vom Strom der Abgase im Abgastrakt (310) weg zeigt.
System, das in einem Abgastrakt eines Motors gekoppelt ist, Folgendes umfassend: ein erstes äußeres Rohr (810) mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen (844) auf einer stromabwärtigen Oberfläche (854); ein zweites inneres Rohr (820) mit einer Vielzahl von Ansaugöffnungen (846) auf einer stromaufwärtigen Oberfläche (852); und einen Feinstaub-Sensor (832), der innerhalb des zweiten inneren Rohrs (820) platziert ist.
System nach Anspruch 10, wobei das zweite innere Rohr (820) innerhalb des ersten äußeren Rohrs (810) so positioniert ist, dass eine zentrale Achse des zweiten inneren Rohrs (820) parallel zu einer zentralen Achse (W-W') des ersten äußeren Rohrs (810) liegt.
System nach Anspruch 11, wobei ein ringförmiger Raum zwischen dem zweiten inneren Rohr (820) und dem ersten äußeren Rohr (810) besteht, und wobei das erste äußere Rohr (810) und das zweite innere Rohr (820) bei vertikaler Anordnung jeweils oben zum Abgastrakt (310) hin abgedichtet sind.
System nach Anspruch 10, wobei der Feinstaubsensor (832) über einen elektrischen Schaltkreis (834) auf einer ersten Oberfläche (836) verfügt.
System nach Anspruch 13, wobei der Feinstaub-Sensor (832) innerhalb des zweiten inneren Rohrs (820) so positioniert ist, dass die erste Oberfläche (836) des Feinstaub-Sensors (832) der Vielzahl der Gas-Ansaugöffnungen (846) auf der stromaufwärtigen Oberfläche (852) des zweiten inneren Rohrs (820) gegenüberliegt.
System nach Anspruch 14, wobei das erste äußere Rohr (810) eine Vielzahl von Abflussöffnungen (848) auf einer bei vertikaler Anordnung unteren Oberfläche (864) hat, und wobei eine untere Oberfläche (856) des zweiten inneren Rohrs (820) versiegelt ist.
System nach Anspruch 15, wobei ein oder mehrere Kanäle (842) das zweite innere Rohr (820) strömungstechnisch mit dem Abgastrakt (310) des Motors verbinden, und wobei ein oder mehrere Kanäle (842) nicht das erste äußere Rohr (810) mit dem Abgastrakt (310) verbinden.