JP4691096B2 - センサ上の煤堆積の制御のための方法 - Google Patents

Description

内燃機関、とりわけ自己点火式内燃機関の粒子エミッションに対する要求は絶えず高まっている。更なる規準を意図的に導入しようという潮流の中で、走行動作の間に内燃機関乃至はディーゼル粒子フィルタの後の煤排出を監視する要求が存在する。さらにディーゼル粒子フィルタシステムに対する高いシステム確実性を保証するために、煤侵入量の決定及び再生ストラテジの最適化乃至は再生コントロールのためにディーゼル粒子フィルタの汚れ予測を行うことが設けられている。

従来技術
今日、導電性粒子に対する抵抗性粒子センサが公知であり、これらの粒子センサでは２つ以上の金属性電極が設けられており、これらの電極に堆積する微粒子、とりわけ煤粒子が櫛状に相互にかみ合っている電極を短絡させ、これにより電極構造物のインピーダンスが変化する。センサ面上の粒子濃度が高まると、このようにして減少する抵抗乃至は増大する電流が電極間に印加される一定の電圧において測定可能である。通常は閾値、トリガ閾値が定義され、収集時間が堆積した煤粒子質量に対する尺度とみなされる。センサエレメントにおける煤堆積の後のセンサエレメントの再生のために、このセンサエレメントは通常は統合された加熱エレメントによって燃焼処理（freibrennen）されなければならない。燃焼処理フェーズの間にはこのセンサは煤量を検出できない。

ＤＥ１０１４９３３３Ａ１からガスの湿度の測定のためのセンサ装置が公知である。煤層と協働する基板上に配置された抵抗測定構造物が設けられており、さらに温度測定装置が設けられている。温度測定装置は抵抗温度計ならびに周波数に依存する交流電流抵抗の測定のための手段を含む。さらに、センサ装置には加熱装置が割り当てられている。煤層に含まれる煤粒子の微粒子サイズは２０ｎｍと１５０ｎｍとの間にある。

ＷＯ０３／００６９７６Ａ２からは微粒子の検出のためのセンサ及びこのセンサの機能コントロールのための方法が公知である。このセンサはガス流の中の微粒子の検出、とりわけ排気ガス流の中の煤粒子の検出に使用される。絶縁材料から成る基板上に少なくとも２つの測定電極が設けられている。これらの測定電極は少なくとも部分的に捕捉キャップによって被覆されている。このセンサにはさらに加熱エレメントが割り当てられている。微粒子、とりわけ煤粒子の検出のためのセンサの機能コントロールは、このセンサの測定電極にコンデンサが割り当てられておりこのコンデンサの容量がもとめられることによって行われる。目標値からのコンデンサの容量の偏差においてエラー通報が発生される。堆積した煤粒子の焼却のためにセンサは加熱され、センサの加熱の後でセンサの測定電極間の絶縁抵抗が測定される。センサの加熱の後で測定された絶縁抵抗はセンサの動作のための補正量として使用される。

発明の説明
本発明により提案される解決策は、電子的な、すなわちセンサ動作において実施可能な可変的な手段によってセンサにおける粒子の堆積レートの制御を可能にする。ディーゼル粒子フィルタの前及びディーゼル粒子フィルタの後の煤濃度は使用されるテクノロジに応じて大きく異なりうるが、コストの理由から同一のセンサが所望されるので、本発明により提案される方法はそれぞれセンサの使用領域、すなわちディーゼル粒子フィルタの前に配置されるか又はディーゼル粒子フィルタに後置されるかに適合したその都度使用されるセンサの調整を可能にする。本発明により提案される方法によってセンサの感度領域が最適な濃度領域に調整されならびにセンサのトリガ時間が最小化され、さらにこれに続く測定時間が最大化される。これはセンサへの異なる電圧の印加によって達成される。センサを動作するための比較的高い電圧の選択において、比較的小さい電圧によるセンサの動作の場合よりも迅速に煤層の形成が行われる。トリガ閾値をできるだけ迅速に越えるために及び迅速に評価可能な、すなわち測定可能な信号を得るために、センサは第１の比較的高い電圧Ｕ₁によって動作される。その後で第２の電圧Ｕ₂への電圧の切り換えが行われ、この結果、延長された測定期間が実現されうる。延長された測定期間の間に信号経過の連続的な検出が行われ、この信号経過の信号グラジエントから発生する煤排出に関する情報が導出されうる。本発明により提案される方法によれば、まず最初に高い測定不確実性と結びついたトリガ閾値に到達するまでの収集時間が高い電圧によるセンサエレメントの動作によって実現され、次いでセンサエレメントが低減された電圧によって動作され、この結果、測定時間が延長される。従って、収集時間の間に発生する測定不確実性が重大な結果をもたらさない。

センサの動作の際に実施可能な、センサの組み込み箇所に依存する可変的な手段によって、構成及び適用に関する予め設定された一定のセンサデザイン及び予め設定された一定の構造においてセンサ上の煤粒子の堆積レート、すなわちセンサの感度領域が電子的な方法で調整され、従って当該センサの組み込み箇所に最適に適合されうる。同一のセンサが様々な使用のために、例えば高い煤濃度のために又はオンボード（On-Board）診断のために直ぐに電子的に調整される。ディーゼル粒子フィルタシステムの前に配置されたセンサはディーゼル粒子フィルタの中に到達する煤質量の検出に使用される。

ディーゼル粒子フィルタシステムに前置されたセンサはシステム確実性の向上のために及び最適な条件下でのディーゼル粒子フィルタの動作の保証のために役立つ。これらは大いにディーゼル粒子フィルタの中に堆積される煤質量に依存するので、ディーゼル粒子フィルタシステムの前の粒子濃度の正確な測定、とりわけディーゼル粒子フィルタの前の高い粒子濃度の検出は高い重要性を持つ。

ディーゼル粒子フィルタに後置されたセンサは、オンボード診断を行う可能性を提供し、さらに排気ガス後処理装置の正確な動作の保証に役立つ。
図面
図面に基づき本発明を以下に、詳細に説明する。
図面中、
図１は電極構造物を有するセンサの平面図を示し、
図２は煤粒子層によって覆われた担体基板上に設けられた電極構造物の側面図を示し、
図３は図１及び図２による電極構造物において形成される電界の図示であり、
図４は第１の比較的高い電圧Ｕ₁において生じるセンサ信号を示し、このセンサ信号はタイムスパンｔ₁の後でトリガ閾値に到達し、
図５は第２の比較的低い電圧Ｕ₂において時間に亘って生じるセンサ信号を示し、
図６はセンサエレメントに対する切り換えストラテジを示す。

実施例
センサエレメント１は担体として使用される基板７を含み、この基板７は例えば酸化アルミニウムセラミックスとして設けられうる。担体として使用される基板７上には抵抗測定構造物が載置されており、この抵抗測定構造物は第１の櫛形電極３ならびに第２の櫛形電極４を有する。第１の櫛形電極３及び第２の櫛形電極４を含む抵抗測定構造物は、粒子層５、図２参照、の電気抵抗の測定のために使用され、この粒子層５はセンサエレメント１の第１の櫛形電極３及び第２の櫛形電極４を被覆している。センサエレメント１の電圧端子２への電圧の印加によって、相互にかみ合っている櫛形電極３、４の間に不均一な電界６が形成され、図３の図示を参照、この不均一な電界６は電気力線９によって図示されている。

センサエレメント１に堆積する粒子、とりわけ煤粒子は電界の中で電気ダイポールと見なされる。不均一な電界６は生じる力を電気ダイポールに、すなわちこの場合には煤粒子に及ぼす。これらは電極３、４へと引き寄せられ、これによってこれに粒子層５として堆積する。煤粒子が帯電すると、これらの煤粒子は

によって電極３、４へ向かう付加的な力作用を受け、センサエレメント１上に堆積する（Ｆ＝力；ｑ＝電荷；Ｅ＝電界強度）。

粒子を含んだフローが図１に図示されたセンサエレメント１を通過すると、印加される電圧Ｕ₁＝例えば２１ボルト乃至はＵ₂＝１０ボルトに依存して電気的な力がフローの中に含まれる粒子に作用を及ぼす。センサエレメント１に電圧端子２において印加される電圧の制御によって、煤堆積の拡散制御プロセスに付加的な制御可能な量が加えられ、この結果、センサエレメント１のセンサ表面１．１上への煤粒子のマスフローが制御される。

これは次のことを意味する。すなわち、比較的高い電圧Ｕ₁＝２１ボルトの印加によって煤層が比較的強い不均一な電界６のために例えば１０ボルトの比較的小さい電圧Ｕ₂の印加の場合よりも迅速に形成される。この比較的小さい電圧Ｕ₂によっては比較的弱い不均一な電界６が生じる。

図２は図１の図示によるセンサエレメントの側面図を示す。

図２の図示からは、櫛状に相互にかみ合う電極３及び４の上に煤粒子層５が形成されることがわかる。この煤粒子層５は電極３、４乃至は８を被覆している。センサエレメント１が高い電圧Ｕ₁、例えば２１ボルトによって動作される場合、粒子層５は櫛状に相互にかみ合う電極３及び４の上側に、より低い電圧Ｕ₂によるセンサエレメント１の動作に比べてより迅速に形成され、さらにその厚さはより急激に増大する。

図３は概略的な配置において形成される不均一な電界がその力線９及び等電位線１０によって図示されていることが見て取れる。

相互にかみ合っている第１の櫛形電極３及び第２の櫛形電極４は電圧源、例えば車両の搭載電源に接続されている。例えば１０ボルトの電圧Ｕ₂であれ、２１ボルトの高い電圧Ｕ₁であれ、いずれにせよ電圧に応じて、相互にかみ合う第１の櫛形電極３及び第２の櫛形電極４においてこれらの間にある自由空間の上方に図３に図示された、電気力線９によって図示された不均一な電界６が形成される。

図４及び図５からは例えば２１ボルトの第１の電圧Ｕ₁による動作及び例えば１０ボルトの第２の電圧Ｕ₂による動作におけるセンサエレメント１のトリガ特性が見て取れる。図４及び図５の図示においては２つの電圧Ｕ₁とＵ₂との間の切り換えは起こっていない。

図４から見て取れるのは、ほぼ１μＡのＡＰと記されたトリガ閾値がセンサ信号１０によって期間ｔ_１の後で越えられることである。例えば２１ボルトの高い電圧Ｕ₁の印加に基づいてセンサ信号１０は非常に急激に上昇し、比較的短い期間ｔ₁の後でトリガ閾値ＡＰを越える。トリガ閾値ＡＰは任意に設定することができ、２μＡ又は３μＡにも調整されうる。高い電圧Ｕ₁に基づいてセンサ信号１０は大きな勾配で非常に急激に上昇し、これはセンサ信号のグラジエント１６及び経過１３によって示されている。測定可能な電流に到達した後で、すなわちトリガ閾値ＡＰを越えた後で、グラジエント１６及び時間軸１５に亘るこのグラジエント１６の変化から時間単位毎にセンサエレメント１の表面１．１上に堆積した煤量に関する直接的な情報が可能である。センサエレメント１の動作はトリガ閾値ＡＰを越えた後で極めて望ましい。なぜなら、トリガ閾値ＡＰを越えた後でエラー及び横方向影響（Quereinfluesse）が分かるからである。タイムスパンｔ₁の後でトリガ閾値ＡＰを越えた後で、例えば２１ボルトの高い電圧Ｕ₁によるセンサエレメント１の動作は例えば１０ボルトのより低い電圧Ｕ₂による動作に切り換えられる。これは図６に図示されている。

センサエレメント１が高い電圧Ｕ₁で動作されている期間ｔ₁は、迅速にセンサ信号１０に対するトリガ閾値ＡＰに到達するために使用される。なぜなら、センサエレメント１はこの期間ｔ₁の間にデータを供給しないからである。

例えば２１ボルトの高い電圧Ｕ₁と例えば１０ボルトのより低い電圧Ｕ₂との間の切り換えストラテジは次のことによって与えられる。すなわち、高い電圧Ｕ₁の印加によるトリガ閾値ＡＰの到達までの期間ｔ₁が短縮され、そして、これに続く期間ｔ₂、すなわち明白な信号変化を有する本来の測定時間が例えば１０ボルトのような低い電圧Ｕ₂の印加によって延長される。これによって比較的弱い不均一な電界６に基づいてセンサエレメント１の表面１．１における比較的小さい粒子堆積レートが現れ、これによって飽和が達成されてこの飽和の到達に結びついたセンサエレメント１の必要不可欠な再生が実施されるまで比較的長い時間が経過する。

図５の図示からわかることは、例えば２１ボルトの高い第１の電圧Ｕ₁によってセンサエレメント１が動作される場合に、期間ｔ₂、すなわち本来の測定時間の間にはセンサ信号１０は平坦な信号グラジエント１７を有し、従って図５の図示によるセンサ信号１０のようにそれほど急激には上昇しないことである。

前述のように、期間ｔ₁の間の例えば２１ボルトの高い電圧Ｕ₁による図１及び図２によるセンサエレメント１の動作及び切り換えの後で第２の期間ｔ₂の間の１０ボルトの電圧Ｕ₂によるセンサエレメント１の動作が記述された。原理的には自動車搭載用電源で発生可能なあらゆる電圧が使用でき、その都度の電圧レベルの選択はその都度の適用ケースに適合される。電圧は有利には０ボルトと４２ボルトとの間にあるが、より高い電圧も考えられる。一般的に重要なことは、トリガ閾値ＡＰを越えるまでは一般的に比較的高い電圧が有利であり、このトリガ閾値ＡＰを越えた後ではより低い電圧に切り換えられることである。

煤堆積の制御、すなわち粒子層５の形成はセンサエレメント１の面の上方の不均一な電界６による電界グラジエントの発生を介して行われる。センサエレメント１に印加される電圧Ｕ₁、Ｕ₂の上述の変化のほかに、第１の櫛形電極３及び第２の櫛形電極４の構造も変更されうる。一般的に重要なことは、第１の櫛形電極３と第２の櫛形電極４との間の僅少な電極間隔が高い電界グラジエントをもたらすことである。図１及び２に図示された櫛形電極３、４としての電極の実施形態のほかに、これらは違ったふうにも設けられうる。例えば線状に形成された電極又は網状乃至は格子状に形成された電極として設けられ、これらの電極のボンディングは網形又は格子形電極の下方で行われる。

適当な電極レイアウトならびにその表面状態の選択は局所的電界強度増大に寄与しうる。電極レイアウト乃至はその表面状態の選択はセンサ製造の際に既に最適なやり方で後ほどの適用事例に適合される。

図６による図示からは、センサエレメント１が例えば２１ボルトの高い電圧Ｕ₁によって動作される期間ｔ₁の後で、センサエレメント１の動作のための電圧が例えば１０ボルトのより低い電圧Ｕ₂に低下されることが見て取れる。これによってセンサエレメント１は最適な動作状態において動作され、この最適な動作状態はトリガ閾値ＡＰを越えた後の測定時間の明白な延長を可能にする。図６の図示による期間ｔ₁乃至はｔ₂の対比から、高い電圧Ｕ₁の印加によるトリガ時間の短縮ならびに僅少な電圧Ｕ₂の印加による測定時間（期間ｔ₂）の延長が得られることが分かる。

電極構造物を有するセンサの平面図を示す。 煤粒子層によって覆われた担体基板上に設けられた電極構造物の側面図を示す。 図１及び図２による電極構造物において形成される電界の図示である。 第１の比較的高い電圧Ｕ₁において生じるセンサ信号を示し、このセンサ信号はタイムスパンｔ₁の後でトリガ閾値に到達する。 第２の比較的低い電圧Ｕ₂において時間に亘って生じるセンサ信号を示す。 センサエレメントに対する切り換えストラテジを示す。

符号の説明

１ センサエレメント
１．１ センサ上側面
２ 電圧端子
３ 第１の櫛形電極
４ 第２の櫛形電極
５ 粒子層（煤層）
６ 電界
７ 基板
８ 電極
９ 電気力線
１０ センサ信号［μＡ］
Ｃ 煤濃度［ｍｇ／ｍ³］
ＡＰ トリガ閾値
１３ Ｕ₁＝２１ボルトにおけるセンサ信号１０の経過
１４ Ｕ₂＝１０ボルトにおけるセンサ信号１０の経過
１５ 時間軸
１６ Ｕ₁における信号グラジエント
１７ Ｕ₂における信号グラジエント
１８ 時点 信号上昇
１９ 切り換え時点 Ｕ₁ 第１の電圧
２０ 切り換え時点 Ｕ₂ 第２の電圧
ｔ₁ Ｕ₁の期間
ｔ₂ Ｕ₂の期間

Claims (4)

1. センサエレメント（１）上の粒子堆積の制御のための方法であって、前記センサエレメント（１）は第１の電極（３）及び更に別の電極（４）を有し、前記センサエレメント（１）において電圧端子（２）に第１の電圧Ｕ₁ならびに第２の電圧Ｕ₂が印加可能である、センサエレメント（１）上の粒子堆積の制御のための方法において、
   センサエレメント（１）を、粒子の測定をトリガするためのトリガ閾値ＡＰを超えるまでの第１の期間ｔ₁の間に高い電圧Ｕ₁によって動作させ、センサエレメント（１）の前記トリガ閾値ＡＰを越えた後でこのセンサエレメント（１）を、第２の期間t ₂ の間、測定期間の延長のために、高い電圧Ｕ₁より小さい比較的低い電圧Ｕ₂によって動作させるように制御する、
   ただし、前記低い電圧Ｕ₂は０より大きく、
   第２の期間ｔ ₂ に対する第１の期間ｔ ₁ の比は、第１の測定電圧Ｕ ₁ と第２の測定電圧Ｕ ₂ との間の電圧差によって決定される
   ことを特徴とする、センサエレメント（１）上の粒子堆積の制御のための方法。
2. センサエレメント（１）の電圧端子（２）に印加される電圧Ｕ₁は、１０ボルトと４２ボルトとの間にあることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. センサエレメント（１）の電圧端子（２）に印加される第２の電圧Ｕ₂は、０より大きく１０ボルト以下であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 電圧Ｕ₁、Ｕ₂は電極構造物（３、４；８）に印加され、不均一な電界（６）がセンサエレメント（１）の側面（１．１）に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの少なくとも１項記載の方法。

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