JP6440834B2 - 粒子を検出するセンサの機能制御のための方法 - Google Patents
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Description
従来技術
従来技術から、粒子、例えば煤の粒子又は粉塵の粒子を検出する多数の方法及び装置が公知である。本発明を、以下で、さらなる実施形態及び用途を制限することなく、特に、粒子、特に、内燃機関の排ガス流内の煤の粒子を検出するセンサと関連して、説明する。
従来技術から、粒子、例えば煤の粒子又は粉塵の粒子を検出する多数の方法及び装置が公知である。本発明を、以下で、さらなる実施形態及び用途を制限することなく、特に、粒子、特に、内燃機関の排ガス流内の煤の粒子を検出するセンサと関連して、説明する。
実地経験から、セラミック上に配置されている２つの電極によって、排ガス内の粒子、例えば煤の粒子又は粉塵の粒子の濃度を測定することが公知である。これは例えば、２つの電極を分離するセラミック材料の電気抵抗を測定することによって行われる。この種のセンサは、例えば、内燃機関、例えば、ディーゼル構造様式の内燃機関の排ガス経路に組み込まれる。通常、これらのセンサは、内燃機関又はディーゼル粒子フィルタの下流に位置している。環境への意識が高まっていることによって、また、一部では法的な規制によって、将来的に、自動車の走行動作中の煤の排出は監視されなければならず、さらに、この監視が機能していることが保証されなければならない。このような、機能の監視は、一般的に、車載診断（Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ−Ｄｉａｇｎｏｓｅ）と称される。粒子センサは、今日では、例えば、内燃機関の煤排出の監視のために、及び、車載診断（Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ−Ｄｉａｇｎｏｓｅ：ＯＢＤ）のために、例えば粒子フィルタの機能の監視のために使用される。ここでは、捕集タイプの、抵抗性の粒子センサが公知であり、これは、粒子の付着によるインターデジタルの電極構造体の電気的な特性の変化を評価する。この種の煤センサは、例えば、独国特許出願公開第１０１４９３３３号明細書（DE 101 49 333 A1）又は国際公開第２００３／００６９７６号（WO 2003/006976 A2）から公知である。
この種の、導電性粒子用の抵抗性粒子センサでは、２つ以上の金属製の電極が、電気的絶縁性の基板上に形成されている。ここで、測定電圧の影響下で付着した粒子、特に煤の粒子が、櫛の歯状に相互に噛み合った電極を短絡し、これらのセンサ電極の間で、低減する抵抗又は増大する電流が、一定の印加電圧下で測定可能である。煤付着後のセンサ要素の再生のために、センサ要素は、組み込まれた加熱要素を用いて、特定のフェーズにおいて燃焼除去される。センサ信号の評価は、このシステムにおいて、未加工の放射モデルを取り入れて、信号特性モデルから求められた目標トリガ時間と、実際のセンサトリガ時間とを比較することによって行われる。
この領域において、電極、ひいてはセンサが機能することを監視するために、再生の終わりに、電極に、測定電圧が印加される。これによって、イオン電流が生じる。このイオン電流は多くの場合、ナトリウムの形態の汚染物質によって生じる。これが特定の閾値を超えると、電極は、完全なものとしてみなされるべきである。
従来技術の抵抗性粒子センサでは、測定電極の自己診断は、高い温度下での電流測定に基づいている。電極の下の絶縁層内にナトリウムイオンが存在することによって、ここで、ある程度の、測定可能な、電気的な導電性が得られる。従って、この診断は、センサ再生の間に行われる。ここではいずれにせよ、能動的な加熱が行われ、７５０℃を超える温度に達する。
従来技術から公知の、粒子を検出する方法及び装置の多数の利点にも拘わらず、これらはさらに、改善の余地を有している。例えば、上述した形態の自己診断の経年劣化に対する安定性は制限されている。従来技術では、負の測定電極は、このフェーズではアースされており、正の測定電極も、短い診断フェーズを除いてアースされており、従って、正の加熱器端子及び加熱器の部分は、駆動時に常に、これに対して正の電位を有する。さらに、再生は、典型的に、数秒から数分の間続くので、正に帯電した粒子、特にナトリウムイオンは、この長い時間にわたって、加熱器が存在しているセンサの内部から、測定電極が位置している表面への駆動力を受ける。このフェーズの間のこの高いセンサ温度によって、ナトリウムイオンは、大きい可動性を有し、上方へと移動する。この可動性は、電流として測定されることがあり、以降では、加熱器入力（Ｈｅｉｚｅｒｅｉｎｋｏｐｐｌｕｎｇ）と称され得る。さらに、ナトリウムイオンは、表面で、及び、表面に近い層において、正の電位が正の電極に印加されており、センサ温度が高いフェーズの間、負の電極への駆動力を受ける。表面では、最終的に、イオンが集中する。この加熱器入力（加熱器から表面へのナトリウムイオンの運動が意図されている）は、自己診断電流（表面での、及び、表面に近い層でのナトリウムイオンの運動が意図されている）の測定を誤らせてしまうことがあり、これによって、誤った診断結果が生じてしまうことがある。このような加熱器入力は、加熱器に印加される電位と、電子に対する導電性イオンの割合とに依存する。
発明の開示
従って、既知の方法の欠点を少なくとも実質的に回避し、加熱器入力を補償することによって自己診断の精度が高められた、粒子、特に煤を検出するセンサの機能制御のための方法が提案される。
従って、既知の方法の欠点を少なくとも実質的に回避し、加熱器入力を補償することによって自己診断の精度が高められた、粒子、特に煤を検出するセンサの機能制御のための方法が提案される。
粒子、特に煤を検出するセンサの機能制御のための本発明に係る方法であって、ここで、センサは、少なくとも２つの測定電極と基板とを有しており、この基板の上に測定電極が配置されている。この方法は、以下のステップ、すなわち、
・第１の測定量を求めるために第１の電流−電圧測定を実施するステップと、
・測定電極のうちの１つの測定電極が異なる電位に置かれている状態で、第２の測定量を求めるために第２の電流−電圧測定を実施するステップと、
・第３の測定量を求めるために第３の電流−電圧測定を実施するステップと、
・第１の測定量と第３の測定量とを用いて、第２の測定量を修正するための修正値を形成するステップと、
を、有利には記載された順序で有している。
・第１の測定量を求めるために第１の電流−電圧測定を実施するステップと、
・測定電極のうちの１つの測定電極が異なる電位に置かれている状態で、第２の測定量を求めるために第２の電流−電圧測定を実施するステップと、
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・第１の測定量と第３の測定量とを用いて、第２の測定量を修正するための修正値を形成するステップと、
を、有利には記載された順序で有している。
本発明では、表現「測定電極のうちの１つの測定電極が異なる電位に置かれている」は、複数の測定電極のうちの１つの測定電極の電位が、他方の又は残りの測定電極の電位と異なっている、ということを表現するために用いられる。
第１の電流−電圧測定が第２の電流−電圧測定の前に実施され、第３の電流−電圧測定が第２の電流−電圧測定の後に実施されてよい。これらの測定電極に電位を印加せずに、第１の電流−電圧測定及び第３の電流−電圧測定が実施されてよい。第１の測定量及び第３の測定量の減衰特性（Ａｂｋｌｉｎｇｖｅｒｈａｌｔｅｎ）に基づいて、修正値を求めることができる。修正のための修正値を第２の測定量から差し引くことができる。第１の測定量、第２の測定量及び／又は第３の測定量は、電流であってよい。センサはさらに加熱要素を有し得る。加熱要素が駆動されると、この方法が実施可能になる。加熱要素は、安定した電圧、又は、周期的にクロック制御される電圧の印加によって駆動される。クロック制御された電圧による駆動の場合には、スイッチオンエッジ又はスイッチオフエッジと、信号測定との間の時間差は変化しない、ということに留意されたい。換言すれば、クロック制御された電圧による駆動時には、加熱要素のスイッチオン又はスイッチオフと、信号の各測定との間の時間間隔は、常に同じ長さである。加熱要素に印加される電圧は、実質的に、車両内で使用可能な搭載電圧網から導出される、又は、付加的に、比較的高い電圧レベルから典型的な１２Ｖから１４Ｖに低減される。第２の電流−電圧測定の実施の間、測定電極に加えられる電位は、実質的に、例えば８．４Ｖであり得る。ここで、偏差は例えば０．５Ｖを超えない。
さらに、上述したようにこの方法の各ステップを実施するように構成されているコンピュータプログラムが提案される。
さらに、コンピュータプログラムが記憶されている電子的な記憶媒体が提案される。
さらに、上述した電子的な記憶媒体を含んでいる電子的な制御装置が提案される。
本発明では、粒子とは、特に、導電性の粒子のことであり、これは例えば、煤又は粉塵である。
測定電極とは、本発明では、電流及び／又は電圧を測定するのに適している電極である。測定電極は特に、インターデジタル電極として形成可能であり、すなわち、相互に噛み合った測定電極、例えば２つ以上の相互に噛み合った櫛の歯構造体として形成可能である。
電気的絶縁性の材料とは、本発明では、電流を阻止するのに適している材料、例えばセラミックである。
電流−電圧測定は、本発明では、電流及び／又は電圧の測定のことである。測定はここでは、測定電極間で行われる。付加的に、測定電極に特定の電圧が印加され、測定電極間の電流が測定される、又は、測定電極に電流が印加され、測定電極間の電圧が測定される。電流−電圧測定は、特に、抵抗測定であってよい。ここでは、測定電極と基板とによって形成された構造物の抵抗が測定可能である。例えば、電圧開ループ制御された、又は、電圧閉ループ制御された測定、及び／又は、電流開ループ制御された、及び／又は、電流閉ループ制御された測定が行われる。電流及び／又は電圧の印加を、継続的な信号の形態及び／又はパルス状の信号の形態でも行うことができる。例えば、直流電圧及び／又は直流電流が印加可能であり、電流応答又は電圧応答が検出可能である。選択的に、パルス状の電圧及び／又はパルス状の電流が印加可能であり、電流応答又は電圧応答が検出可能である。
本発明では、測定量とは、電流−電圧測定によって求められる量のことである。これは、相応に、電流又は電圧であってよい。ここから導出された電気抵抗も、測定量として用いることができる。
特定の時点の前又は後に電流−電圧測定を実施するとは、本発明では、電流−電圧測定が実質的にこの時点の近くで、すなわち、例えば最大で１秒の時間的なずれで実施されるような、電流−電圧測定の実施である。
電子的な制御装置とは、本発明では、本発明に係る方法を実施し、ここで、相応する開ループ制御過程及び／又は閉ループ制御過程を実施するのに適しているあらゆる装置のことである。制御装置は、センサに割り当てられている固有の制御装置、又は、内燃機関の制御装置の一部でもあり得る。これは例えば、内燃機関、特にディーゼルエンジンのエンジン制御部の一部である。
本発明の基礎となる考えは、診断フェーズにおいて、元来の測定パルスの前又は後の加熱器入力を測定し、数学的なモデルを用いて、測定値から、測定パルスの時点でのエラー関与分を計算し、元来の測定値から差し引く、ということである。これは、センサの制御装置において、又は、自己診断測定の拡張によって実現可能である。例えば、まず、診断フェーズの測定パルスの前の加熱器入力が測定される。次に、測定値が、診断フェーズの測定パルスの印加時に測定される。すなわち、加熱器入力と自己診断電流とが測定される。次に、診断フェーズの測定パルスの後の加熱器入力が測定される。次に、修正値が、測定パルスの前及び後の加熱器入力の減衰特性に基づいて計算される。例えば、この修正値は、診断フェーズの測定パルスの印加時の測定値から差し引かれる。
本発明に係る方法は、ソフトウェアを介して実施可能である。例えば、電子的な記憶媒体上に記憶可能なコンピュータプログラムの形態で実施可能である。
原理的に、自己診断の間に、センサ要素の深さから負の測定電極へと駆動されるカチオン、例えばナトリウムイオンはもはや、本発明による自己診断の結果を誤ったものにすることはない。測定パルスによって生成された電流だけが測定される。センサの寿命にわたる加熱器入力の変化は、診断結果に影響を与えない。
正の測定電極が切り離されている場合、より多くの、カチオン、例えばナトリウムイオンが負の測定電極の方へ移動し、負の測定電極への加熱器入力を高める。本発明は、このような高い加熱器入力を補償し、この場合に、正しい診断結果、すなわち、「センサ故障」を供給する。
さらに、センサ又は属する制御装置でのハードウェア変更は不要である。測定シーケンスの変更及び修正値の計算は、ソフトウェアによって実現可能である。
さらなる、本発明の自由選択の細部及び特徴は、図面に概略的に示されている有利な実施例の以降の説明から明らかになる。
発明の実施形態
図１は、粒子、特に、ガス流、例えば内燃機関の排ガス流内の煤を検出するセンサ１０を示している。ここで、このセンサ１０は、自動車の排ガス経路にはめ込むために用いられる。例えば、センサ１０は、煤センサとして形成されており、有利には、ディーゼル内燃機関を備えた自動車の煤フィルタの下流に配置されている。
図１は、粒子、特に、ガス流、例えば内燃機関の排ガス流内の煤を検出するセンサ１０を示している。ここで、このセンサ１０は、自動車の排ガス経路にはめ込むために用いられる。例えば、センサ１０は、煤センサとして形成されており、有利には、ディーゼル内燃機関を備えた自動車の煤フィルタの下流に配置されている。
センサ１０は、支持体層１２を有している。この支持体層１２は少なくとも部分的に、電気的絶縁性の材料から製造可能である。これは例えば、セラミック、酸化アルミニウム等である。支持体層１２内には、加熱要素１４が組み込まれている。この加熱要素１４は、接触部１６を介して、適切な電圧源（詳細に示されていない）と接続可能であり、場合によって堆積している粒子、例えば煤の粒子をセンサ１０から燃焼除去するために用いられる。
支持体層１２上には、プレート状の基板１８が配置されている。この基板１８は、少なくとも部分的に、電気的絶縁性の材料から製造され得る。これは例えば、セラミック、酸化アルミニウム等である。基板１８上には、２つの測定電極２０、２２から成る構造体が配置されている。例えば、これらの測定電極２０、２２は、インターデジタル電極として形成されている。従って、これらは、図示されているように、櫛の歯状に相互に噛み合っている。測定電極２０、２２は、接触部２４を介して、電子的な制御装置２６と接続可能である。
測定電極２０、２２が、櫛の歯状に相互に噛み合っている領域では、測定電極２０、２２は少なくとも部分的に、誘電体２８によって覆われ得る。従って、測定電極２０、２２は、測定可能な容量を伴うコンデンサの電極として用いられ得る。誘電体２８に同様に、保護層３０を設けることができる。従って、これは、周囲を取り囲んでいる媒体から切り離されている。これによって、誘電体２８の劣化が排除されている。
センサ１０は、さらにハウジングを含み得る。このハウジングは、図１に示された構造物を包囲し、センサ１０の構造の説明を容易にするために、図１に示されていない。例えば、ハウジングは、測定電極２０、２２の上方に位置している領域において開口部が設けられている捕集スリーブとして構成可能であり、排ガス経路内を流れるガス流を静めるために用いられる。従って、煤の粒子、又は、ガス流に含まれているその他の粒子は、有利には、測定電極２０、２２の領域に堆積する。
図１に示されたセンサ１０は、以下のように動作可能である。基板１８上に煤又はその他の導電性の粒子が堆積すると、２つの測定電極２０、２２の間で電気抵抗が低減する。２つの測定電極２０、２２の間のインピーダンスを測定することによって、いわゆるＲＣ素子に典型的な特性が得られる。これは、該当する排ガス内の煤濃度又は粒子濃度を、ＲＣ素子の抵抗成分の経時的な変化に基づいて特定することができる、ということを意味している。
センサ１０の再生のために、付着した粒子は、一定時間後に、支持体層１２内に組み込まれている加熱要素１４を用いて燃焼除去される。センサ１０が正常に機能する場合には、この、いわゆる加熱の後、測定電極２０間の抵抗が格段に上昇し、有利には、無限に向かうはずである。粒子濃度を検出するセンサ１０の動作方法自体は、例えば、上述した従来技術、国際公開第２００３／００６９７６号（WO 2003/006976 A2）から公知なので、ここで、センサ１０の通常の動作方法に関して詳細に扱うことはせず、センサ１０の機能方法の説明に関する上述した従来技術の内容は、本願に参照として完全に組み込まれている。その代わり、ここでは、センサ１０の機能制御のための、本発明に係る方法を記載する。この方法は例えば、上述した制御装置２６によって実施される。特に、この方法を、図２及び３に基づいて説明する。
図２は、センサ１０と、再生の間の、生じ得る電極電位と加熱要素電位とが記載された、制御装置２６による駆動制御のブロック回路図を示している。ここで、左側には、制御装置２６が示されており、この制御装置２６は、電圧源の回路３２と、評価ユニット３４とを含んでいる。さらに、制御装置２６は、加熱要素１４用の回路３６と、センサ１０の温度測定センサ４０用の評価ユニット３８とを有している。温度測定センサ４０は、ここで、加熱要素１４の一部であってよく、従って、評価ユニット３８は、温度を、加熱要素１４の電気抵抗の変化に基づいて特定し得る。図２から、再生の間、加熱要素１４が駆動されることが見てとれる。これは、例えば１２Ｖの電圧が、加熱要素１４に印加されることによって行われる。さらに、図２から、負の測定電極２０がアースされており、かつ、再生の間、正の測定電極２２に、例えば８．４Ｖの電位が印加されることが見て取れる。
図３は、再生フェーズの間、及び、測定フェーズの開始までの、電極と加熱要素電位の例示的な時間経過を示している。これを以降で、より詳細に説明する。Ｘ軸４２上には時間が記載されており、Ｙ軸４４上には温度が記載されている。Ｘ軸４２の下方には、行で、上方から下方へと、加熱要素１４の電圧４６、測定電極２０、２２の電圧４８、正の測定電極２２の電位５０、及び、負の測定電極２０の電位５２が記載されている。時点５４で、加熱要素１４が駆動される。加熱要素１４の駆動は、例えば１２Ｖの電圧を加熱要素１４に印加することによって行われる。これによって、加熱要素１４は、センサ１０を加熱する。
時点５６から、センサ１０に付着している粒子、例えば煤の燃焼除去が行われる。この燃焼除去は、例えば、３０秒以上行われる。煤の燃焼除去の終わりに、時点５８で、時点６０まで、短時間、加熱要素１４は駆動されない。これは、所定の温度に達するために、電圧が加熱要素１４に印加されないことによって行われる。時点６０から、加熱要素１４が再び駆動される。これは、例えば１２Ｖの電圧が印加されることによって行われる。ここでは時点６２まで、電圧が測定電極２０、２２に印加されることはない。時点６２で、正の測定電極２２に、８．４Ｖの電位が印加される。これは、以降で詳細に説明されるように、時点６４まで、元来の測定フェーズである。次に、時点６４で、電位が、測定電極２２に印加されなくなる。しかし、加熱要素１４は、さらに、時点６６まで駆動される。以降で、本発明に係る方法を詳細に説明する。
時点６２の直前で、第１の測定量を求めるために第１の電流−電圧測定が実施される。例えば、図３に示されているように、時点６２の直前で、すなわち時点６８で、測定電極２０、２２間の電流が測定される。ここでは、測定電極２０、２２に電圧は印加されていない。時点６２と６４との間の時点７０、例えば時点６４の直前で、第２の測定量を求めるために第２の電流−電圧測定が実施される。ここで時点６２と６４の間の時間において、正の測定電極２２に８．４Ｖの電位が印加され、ひいては、時点７０でも正の測定電極２２に８．４Ｖの電位が印加され、測定電極２０、２２間の電流が検出される。時点６４の後、例えば、時点７２で、第３の測定量を求めるために第３の電流−電圧測定が実施される。この時点で、正の測定電極２２に電位は印加されていない。
第１の測定量と第３の測定量とによって、第２の測定量を修正するための修正値が形成される。特に、修正値は、第１の測定量及び第３の測定量の減衰特性に基づいて求められる。例えば、測定電極２０、２２の間で測定された電流は、時点６８まで、加熱されたセンサ要素、及び、上述した加熱器入力に基づいて変動する。
しかし、時点６８で、第１の測定量は安定しており、従って、ある程度の値まで減衰されている。同様に、第３の測定量の減衰特性が求められる。例えば、電位が測定電極２２に印加されなくなっても、まだ、分極、ひいては電流の変動が生じる。しかし、これは、一定の時間後に減衰する。従って、時点７２で、第３の測定量が求められ得る。このようにして求められた、修正のための修正値が、その後、第２の測定量から差し引かれる。
換言すれば、センサ１０の動作は、制御装置２６によって制御される。自動車、例えば乗用者での使用時に、測定電極２０、２２及び加熱要素１４での電位は、再生の間、元来の煤捕集フェーズの開始まで生じる。これは図２に示されている。加熱要素１４の正の電位が、極めて短いフェーズを除いて、常に、測定電極２０、２２の２つの電位よりも高いことが明らかである。再生の間の電位の関係は、詳細に、図３に示されており、加熱器入力を補償する３つの測定時点の位置も、図３に示されている。上述した方法に相応して、原理的に、センサ１０の深さから、自己診断の間、負の測定電極２０へと駆動されるカチオン、例えばナトリウムイオンが、自己診断の結果を誤ったものにすることはない。測定パルスによって生成された電流だけが診断される。従って、寿命にわたる加熱器入力の変化も、もはや診断結果に影響を与えない。
Claims (6)
- 粒子を検出するセンサ（１０）の機能制御のための方法であって、
前記センサ（１０）は、少なくとも２つの測定電極（２０，２２）と電気的絶縁体（１２，１８）とを有しており、前記電気的絶縁体（１２，１８）の一面上に前記測定電極（２０，２２）が配置されており、
前記センサ（１０）はさらに、所定の電圧の印加によって駆動される加熱要素（１４）を有しており、
前記加熱要素（１４）は、前記電気的絶縁体（１２，１８）内に組み込まれており、
前記センサ（１０）の前記測定電極（２０，２２）の自己診断の際、前記加熱要素（１４）が駆動された状態で、前記測定電極（２０，２２）のうちの１つの測定電極（２２）に、前記加熱要素（１４）に印加される前記所定の電圧よりも低い電圧が印加され、かつ、前記測定電極（２０，２２）のうちのもう１つの測定電極（２０）がアースされ、
前記方法は、
・第１の測定量を求めるために第１の電流−電圧測定を実施するステップと、
・前記自己診断のために、前記測定電極（２０，２２）のうち１つの測定電極（２２）が異なる電位（５０）に置かれている状態で、第２の測定量を求めるために第２の電流−電圧測定を実施するステップと、
・第３の測定量を求めるために第３の電流−電圧測定を実施するステップと、
・前記第１の測定量と前記第３の測定量とを用いて、前記第２の測定量を修正するための修正値を形成するステップとを含んでおり、
前記第１の電流−電圧測定は、前記第２の電流−電圧測定の前に実施され、前記第３の電流−電圧測定は、前記第２の電流−電圧測定の後に実施され、
前記測定電極（２０，２２）のうちの１つの測定電極（２２）に電位を印加せずに、前記第１の電流−電圧測定及び前記第３の電流−電圧測定が実施され、
前記第１の測定量及び前記第３の測定量に基づいて前記修正値が求められ、
修正のための前記修正値を前記第２の測定量から差し引き、
前記第１の測定量、前記第２の測定量及び前記第３の測定量は、電流又は電圧である、
ことを特徴とする、粒子を検出するセンサ（１０）の機能制御のための方法。 - 前記加熱要素（１４）に印加される電圧は１２Ｖであり、前記第２の電流−電圧測定の実施中、前記１つの測定電極（２２）に印加される前記電位（５０）は８．４Ｖである、請求項１に記載の方法。
- 前記粒子は、煤である、請求項１又は２に記載の方法。
- 制御装置（２６）上で実行されるときに、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実施するために構成されている、
ことを特徴とするコンピュータプログラム。 - 請求項４に記載のコンピュータプログラムが記憶されている、
ことを特徴とする電子的な記憶媒体。 - 請求項５に記載の電子的な記憶媒体を含んでいる、
ことを特徴とする電子的な制御装置（２６）。
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