СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ
METHOD AND SYSTEM FOR DETECTION OF SOLID PARTICLES IN EXHAUST GASES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области проектирования и эксплуатации датчиков твердых частиц (ТЧ) резистивного типа в потоке отработавших газов.
Уровень техники
Выбросы, содержащиеся в выхлопе дизельных двигателей внутреннего сгорания, подлежат регулированию. Дизельные твердые частицы ТЧ (Particulate Matter, РМ) представляют собой составляющую отработавших газов дизельного двигателя и содержат дизельную сажу и аэрозоли, в том числе частицы пепла, абразионные металлические частицы, сульфаты и силикаты. При выбросе в атмосферу ТЧ могут принимать форму отдельных частиц или цепных соединений, по большей части невидимых, размеры которых лежат в субмикронном диапазоне и составляют порядка 100 нанометров. Для выявления и фильтрации выхлопных ТЧ перед выводом отработавших газов в атмосферу были разработаны различные технологии.
Так, в транспортных средствах, содержащих двигатели внутреннего сгорания, могут быть предусмотрены сажевые датчики, также называемые датчиками ТЧ. Датчики ТЧ могут быть расположены выше и/или ниже дизельного сажевого фильтра ДСФ (Diesel Particulate Filter, DPF) по потоку отработавших газов и могут быть использованы для определения уровня сажи на фильтре и диагностики работы сажевого фильтра. Как правило, резистивный датчик ТЧ может определять уровень сажи по соотношению между измеряемыми изменениями электропроводности (или удельного сопротивления) между двумя электродами, установленными на плоской поверхности подложки датчика, и количеством ТЧ, осажденных между измерительными электродами. В частности, измеренное значение проводимости может быть использовано в качестве меры накопления сажи в связи с тем, что ТЧ в основном состоят из электропроводящей углеродной сажи и содержат лишь малую долю компонентов с более низкой электропроводностью, таких как летучие органические вещества и оксиды металлов (мазутная зола).
Один из примеров конструкции датчика ТЧ представлен авторами Roth et al. в патентном документе США №8823401 B2. В соответствии с этим решением предусмотрена пара смежных гребенчатых электродов, которые могут быть расположены с зазором или встык один к другому, подсоединены к общему источнику напряжения и использованы для независимого определения содержания ТЧ в отработавших газах. По мере осаждения ТЧ на паре гребенчатых электродов под воздействием электростатического притяжения между заряженными ТЧ и электродами выходные данные двух независимых датчиков ТЧ анализируют и сопоставляют с использованием сложных алгоритмов для извлечения из них достоверной информации о количестве ТЧ в отработавших газах.
Однако авторы настоящего изобретения выявили некоторые потенциальные недостатки такого подхода. Чувствительность датчиков ТЧ, описанных в работе Roth et al., может быть систематически снижена в связи со слабым электростатическим притяжением ТЧ, расположенных на удалении от поверхности датчиков в электрическом поле, образуемом парой электродов. Напряженность электрического поля в области, расположенной между каждыми двумя плоскими гребенчатыми электродами, выше вблизи поверхности электродов такой пары, но быстро спадает по мере удаления от нее. Кроме того, выходные данные датчиков в соответствии с решением Roth et al. требуют анализа с применением сложных алгоритмов для извлечения из них достоверной информации о количестве ТЧ в отработавших газах, что приводит к увеличению времени обработки данных и образованию нежелательных задержек вывода данных и диагностики.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается решение, обеспечивающее частичное устранение указанных недостатков и повышение чувствительности датчиков ТЧ. Например, в соответствии с одним из возможных подходов надежность датчиков ТЧ может быть повышена благодаря применению способа, включающего в себя формирование первого электрического поля при помощи пары плоских перемежающихся электродов и формирование второго электрического поля при помощи пары плоских перемежающихся электродов и второго плоского элемента, параллельного паре плоских перемежающихся электродов. В результате этого электрическое поле, сформированное в области, расположенной между двумя парами плоских перемежающихся электродов и нормальное, к поверхностям пар плоских перемежающихся электродов, может быть усилено, что приводит к усилению электростатического притяжения ТЧ и повышению чувствительности датчиков ТЧ.
Например, блок датчиков ТЧ может содержать пару плоских перемежающихся электродов и проводящую пластину, на которой поддерживают напряжение, смещенное относительно напряжения пары электродов; в соответствии с альтернативным вариантом осуществления проводящая пластина может быть заменена на вторую пару плоских перемежающихся электродов, на которой также поддерживают напряжение, смещенное относительно напряжения первой пары перемежающихся электродов, в результате чего возникает дополнительное электрическое поле, нормальное к поверхностям датчиков ТЧ. Технический эффект использования такого блока датчиков ТЧ для обнаружения сажи, содержащейся в отработавших газах, состоит в том, что дополнительное электрическое поле, образованное между проводящей пластиной (или второй парой плоских перемежающихся электродов) и первой парой плоских перемежающихся электродов, усиливает электростатическое притяжение, увеличивая тем самым количество сажи, осаждаемой на датчике ТЧ, что повышает чувствительность блока датчиков ТЧ к обнаружению сажи. Кроме того, напряженность электрического поля может быть увеличена путем повышения смещения напряжения. Например, в одной из возможных конфигураций, в которой предусмотрены два датчика ТЧ, расположенные один напротив другого, чувствительность каждого из датчиков ТЧ в составе блока может быть увеличена путем увеличения смещения напряжения. Совместное использование выходных данных обоих датчиков позволяет обеспечить повышение точности измерений содержания сажи в отработавших газах и, следовательно, определения уровня сажи на ДСФ. Кроме того, повышение чувствительности датчика ТЧ обеспечивает возможность быстрого выявления течей ТЧ ниже по потоку от изношенного ДСФ. Таким образом, обеспечивают повышение эффективности операций регенерации фильтра и снижение потребности в использовании громоздких алгоритмов. Кроме того, обеспечение возможности более точной диагностики ДСФ выхлопной системы позволяет повысить соответствие требованиям к содержанию выбросов в отработавших газах.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема двигателя и соответствующего ему резистивного датчика твердых частиц (ТЧ), содержащихся в отработавших газах.
На фиг. 2 представлена схема блока датчиков ТЧ по фиг. 1, причем пара датчиков разнесена в пространстве.
На фиг. 3A-B представлен в разобранном виде блок датчиков ТЧ по фиг. 1 в соответствии с двумя возможными примерами осуществления.
На фиг. 4 представлены силовые линии электрического поля, образуемые блоком датчиков ТЧ в соответствии с вариантами осуществления по фиг. 3.
На фиг. 5 представлена принципиальная схема примера осуществления блока датчиков ТЧ по настоящему изобретению.
На фиг. 6 представлена блок-схема верхнего уровня, описывающая способ регенерации выхлопного ДСФ на основе выходных данных блока датчиков давления.
На фиг. 7 представлена блок-схема верхнего уровня способа регенерации блока датчиков ТЧ по настоящему изобретению.
На фиг. 8 представлена блок-схема верхнего уровня, которая может быть использована для диагностики регенерации и функциональности сажевого фильтра с использованием блока датчиков ТЧ по вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 иллюстрирует пример зависимости между уровнем сажи, определяемым датчиком ТЧ, и уровнем сажи на сажевом фильтре.
Фиг. 10 иллюстрирует пример зависимости между регенерацией датчиков ТЧ и регенерацией сажевого фильтра.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание касается систем и способов для измерения количества твердых частиц, накопленных на сажевом фильтре двигателя, например, в составе системы транспортного средства по фиг. 1. Датчик твердых частиц (ТЧ), оборудованный парой электродов, разделенных зазором (фиг. 2-3), может быть расположен ниже или выше дизельного сажевого фильтра по потоку отработавших газов. В напряжении, подаваемом на электроды, может быть предусмотрен относительный сдвиг для увеличения силы электростатического притяжения, воздействующей на частицы сажи, содержащиеся в отработавших газах, что повышает эффективность накопления сажи на датчиках (фиг. 4-5). Может быть предусмотрен Контроллер, выполненный с возможностью исполнения процедуры управления, например, процедуры по фиг. 6, для осуществления регенерации сажевого фильтра в соответствии с данными, получаемыми от датчика давления, и диагностики состояния сажевого фильтра в соответствии с данными, получаемыми от датчиков ТЧ (фиг. 9). Кроме того, контроллер может производить периодическую очистку датчиков ТЧ (фиг. 7) для обеспечения непрерывного контроля количества ТЧ. Работа сажевого фильтра в зависимости от данных, получаемых от датчика ТЧ, расположенного ниже фильтра по потоку, проиллюстрирована на фиг. 8, а пример диагностики фильтров представлен на фиг. 9. Пример зависимости между данными, получаемыми от датчиков, и регенерацией фильтра, представлен на фиг. 10. Таким образом, может быть обеспечено повышение чувствительности датчиков ТЧ и более точное соответствие нормативным требованиям по содержанию выбросов в отработавших газах.
На фиг. 1 схематично представлена система 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства содержит двигательную систему 8. Двигательная система 8 может содержать двигатель 10, содержащий несколько цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впускную систему 23 и выхлопную систему 25. Впускная система 23 двигателя содержит дроссельную заслонку 62, соединенную для передачи текучих сред со впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выхлопная система 25 двигателя содержит выхлопной коллектор 48, выходящий в выхлопной канал 35, направляющий отработавшие газы в атмосферу. Дроссельная заслонка 62 может быть расположена во впускном канале 42 ниже по потоку от средств наддува, например, турбонагнетателя (не представлен) и выше по потоку от радиатора охлаждения наддувочного воздуха (не представлен). Радиатор охлаждения наддувочного воздуха, если таковой предусмотрен, может быть выполнен с возможностью снижения температуры впускного воздуха, сжимаемого средствами наддува.
Выхлопная система 25 двигателя может содержать одно или несколько средств снижения токсичности отработавших газов, которые могут быть установлены в выхлопном канале в герметически соединенном положении. Одно или несколько из таких средств снижения токсичности отработавших газов в частности может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, фильтр обедненных оксидов азота, селективный каталитический реагент и т.п. Выхлопная система 25 двигателя также может содержать дизельный сажевый фильтр (ДСФ) 102, расположенный выше средств 70 снижения токсичности отработавших газов по потоку и осуществляющий временную фильтрацию ТЧ из поступающих в него газов. В проиллюстрированном примере осуществления ДСФ 102 представляет собой систему задержания дизельной сажи. ДСФ 102 может представлять собой монолитный блок, изготовленный, например, из кордиерита или карбида кремния, в котором предусмотрено несколько каналов для удаления твердых частиц из отработавших газов дизельного двигателя. Измерение параметров направляемых в выхлопную трубу отработавших газов, очищенных от ТЧ в результате прохождения через ДСФ 102, может быть произведено датчиком 106 ТЧ, после чего такие газы подают в средства 70 снижения токсичности отработавших газов и выводят через выхлопной канал 35. В проиллюстрированном примере осуществления блок 106 датчиков ТЧ представляет собой резистивный датчик, который оценивает уровень сажи на ДСФ 102 по изменениям электропроводимости, измеряемой между электродами датчика ТЧ. На фиг. 2 представлена схема 200 блока 106 датчиков ТЧ. Подробное описание работы датчика ТЧ приведено со ссылками на фиг. 4.
Система 6 транспортного средства может дополнительно содержать систему 14 управления. Как показано на схеме, система 14 управления получает информацию от нескольких датчиков 16 (различные примеры которых раскрыты в настоящем описании) и передает сигналы управления нескольким приводам 81 (различные примеры которых раскрыты в настоящем описании). Например, в число датчиков 16 в частности могут входить датчик 126 отработавших газов (расположенный в выхлопном коллекторе 48), температурный датчик 128, датчик 129 давления (расположенный ниже средств 70 снижения токсичности отработавших газов по потоку) и блок 106 датчиков ТЧ. В различных точках системы 6 транспортного средства к ней могут быть дополнительно присоединены и другие датчики, например дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения, а также газоанализаторы. В число приводов могут входить, например, топливные инжекторы 66, дроссельная заслонка 62, клапаны ДСФ, управляющие регенерацией фильтра (не представлены) и т.д. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Конфигурирование контроллера может быть произведено с использованием машиночитаемых инструкций, сохраненных в долговременной памяти. Контроллер может принимать входящие данные, поступающие от различных датчиков, обрабатывать такие входящие данные и приводить в действие приводы в соответствии с обработанными входящими данными и инструкциями, запрограммированными в нем и соответствующими одной или нескольким процедурам. Примеры таких процедур раскрыты в настоящем описании со ссылками на фиг. 6-7.
На фиг. 2 представлена схема 200 примера осуществления блока 204 датчиков твердых частиц (ТЧ). В соответствии с одним из примеров осуществления блок 204 датчиков ТЧ может представлять собой датчик 106 ТЧ по фиг. 1. Блок 204 датчиков ТЧ может быть выполнен с возможностью измерения массового содержания и/или концентрации ТЧ в отработавших газах и, в связи с этим, может быть соединен с выхлопным каналом (например, с выхлопным каналом 35 по фиг. 1) выше или ниже дизельного сажевого фильтра по потоку отработавших газов.
Как показывает схема 200, блок 204 датчиков ТЧ расположен внутри выхлопного канала 35, по которому отработавшие газы протекают от сажевого фильтра к выхлопной трубе в направлении, обозначенном стрелкой 202. Блок 204 датчиков ТЧ может содержать цилиндрическую трубку 208 с полым внутренним участком 206 (защитную трубку), которая может служить для защиты электронных измерительных элементов датчиков, установленных внутри нее, а также может дополнительно обеспечивать направление и оптимизацию газового потока, протекающего через них. На поверхности цилиндрической трубки 208 может быть предусмотрено несколько отверстий (или пор) 205, 207, обеспечивающих сквозное протекание отработавших газов. Отработавшие газы могут поступать в блок 204 датчиков ТЧ через несколько отверстий 205 (в качестве не налагающего каких-либо ограничений примера на схеме представлены два таких отверстия), расположенных на верхней по потоку, т.е. ближайшей к ДСФ 102, стороне цилиндрической трубки 208, как показано стрелкой 202. Затем отработавшие газы могут протекать между двумя датчиками 212A и 212B ТЧ, причем могут быть обнаружены содержащиеся в них ТЧ, а необнаруженные ТЧ, содержащиеся в отработавших газах, могут быть выведены из блока 204 датчиков ТЧ через нижнюю по потоку сторону, как обозначено стрелками 209, через несколько отверстий 207 (в качестве не налагающего каких-либо ограничений примера на схеме представлены два таких отверстия). Кроме того, отработавшие газы могут поступать в блок 204 датчиков ТЧ и выходить из него, как обозначено стрелками 203 и 201, через основание цилиндрической трубки 208, находящееся внутри выхлопного канала 35. Таким образом, отработавшие газы могут поступать в цилиндрическую трубку в направлении, по существу параллельном направлению потока отработавших газов, а также в перпендикулярном ему направлении. Цилиндрическая трубка 208 блока 204 датчиков ТЧ может быть установлена непосредственно на выхлопном канале 35 так, что ее центральная ось Y-Y' может быть перпендикулярна направлению потока отработавших газов, обозначенному стрелкой 202. Часть корпуса блока датчиков, прикрепленная к выхлопному каналу, как правило, может содержать винтовую резьбу 210, которая может быть концентричная с цилиндрической трубкой 208 и иметь диаметр, превышающий диаметр цилиндрической трубки 208. Такая крепежная резьба 210 блок датчиков может быть ввинчена непосредственно в крепежное основание, как правило, приваренное к выхлопному каналу. Такой вариант установки датчиков аналогичен используемому для других автомобильных датчиков (содержания кислорода, содержания оксидов азота и температуры). Полый участок 206 блока 204 датчиков ТЧ ограничивает замкнутый объем, внутри которого расположены измерительные электроды.
Блок 204 датчиков ТЧ может дополнительно содержать пару перемежающихся пар электродов, также называемых датчиками 212A и 212B ТЧ. Крепежные средства могут содержать один или несколько электроизолирующих керамических разделителей 211, расположенных между датчиками 212A и 212B ТЧ для обеспечения разнесения их на расстояние D, как показано на фиг. 2. Для крепления разделителя 211 может быть предусмотрен стеклянный изолятор 213, расположенный вблизи разделителя 211. Также могут быть предусмотрены и другие варианты крепления элементов, которые не составляют, однако, предмета настоящего изобретения. Первый датчик 212A ТЧ в составе блока 204 датчиков ТЧ может содержать подложку 216A, пару перемежающихся электродов (также называемых измерительными электродами) 218A, нагревательный элемент 222A, контакты 214A и соединительную проводку 215A, обеспечивающую соединение датчика 212A через контакты 214A с внешним модулем 220 управления ВМУ (External Control Module, ЕСМ). Внешний модуль 220 управления содержит электронное оборудование и программное обеспечение и расположен за пределами выхлопного канала (как правило, на расстоянии менее 1 м от него). Кроме того, внешний модуль управления может быть соединен для обмена данными с контроллером двигателя, например, контроллером 12 по фиг. 1, для обеспечения возможности передачи контроллеру 12 данных по ТЧ, собранных датчиком.
Подложка 216A блока 212A датчика ТЧ, как правило, может быть изготовлена из материалов, обеспечивающих высокую степень электроизоляции. В число пригодных для использования электроизолирующих материалов могут входить оксиды, например, оксиды алюминия, оксиды циркония, оксиды иттрия, оксиды лантана, оксиды кремния и соединения, содержащие по меньшей мере один из вышеперечисленных материалов, или же любые другие материалы, обеспечивающие отсутствие электрического соединения и физическую защиту пары перемежающихся электродов 218A. Пара плоских перемежающихся электродов 218A датчика 212A ТЧ может содержать отдельные электроды, образующие «гребенчатую» структуру, обозначенную на чертеже черными и серыми линиями. Такие электроды, как правило, могут быть изготовлены из металлов, например, платины, золота, осмия, родия, иридия, рутения, алюминия, титана, циркония и т.п., а также оксидов, растворов, сплавов и соединений, содержащих по меньшей мере один из вышеперечисленных металлов. Каждый из двух измерительных электродов 218A может быть изготовлен из того же материала, что и второй измерительный электрод данной пары, или из другого материала. Гребенчатая структура перемежающихся электродов может покрывать часть плоской подложки 216A, находящуюся в газовом потоке, ограниченном защитной трубкой 206. Расстояние между «зубьями» двух гребенчатых электродов, как правило, может составлять от 10 микрон до 100 микрон, причем длина каждого отдельного «зуба» может иметь приблизительно такое же значение, хотя последнее условие и не является обязательным. Оба перемежающихся электрода могут быть присоединены посредством электрических соединений к контактной колодке 214A. Соединительная проводка 215A соединяет электроды 218A датчика 212A ТЧ через контактную колодку 214A с соответствующими терминалами источника напряжения внешнего модуля 220 управления, как более подробно описано ниже со ссылками на фиг. 3. Внешний модуль 220 управления может дополнительно содержать схему, обеспечивающую обнаружение изменений электрического сопротивления пары перемежающихся электродов 218A по мере осаждения ТЧ, содержащихся в отработавших газах, между двумя электродами 218A и передачу информации о таких изменениях бортовому контроллеру, как подробно описано ниже со ссылками на фиг. 5.
Датчик 212A ТЧ может содержать нагревательный элемент 222A, который может быть встроен в подложку 216A датчика. Нагревательный элемент 222A в частности, но не исключительно может содержать температурный датчик и нагреватель, совместно обозначенные на схеме ссылочным номером 222A. В число материалов, которые могут быть использованы для изготовления нагревателя и температурного датчика, образующих нагревательный элемент 222A, в частности могут входить платина, золото, палладий и т.п., а также сплавы, оксиды и соединения, содержащие по меньшей мере один из вышеперечисленных материалов, в том числе сочетания платины с корундом, платины с палладием, платину и палладий. Нагревательный элемент 222A может быть использован для регенерации датчика 212A ТЧ. В частности, в случае превышения уровнем сажи, накопленной на датчике, порогового значения, нагревательный элемент 222A может быть задействован для сжигания частиц сажи, накопленных на поверхности датчика 212A. В процессе регенерации внешний модуль 220 управления может обеспечивать подачу напряжения, необходимого для работы нагревательного элемента 222A. Периодическая регенерация датчика 212A ТЧ обеспечивает возможность его возвращения в состояние, более пригодное для сбора сажи из отработавших газов. Кроме того, регенерация датчика может обеспечить возможность получения и последующей передачи контроллеру точной информации о содержании сажи в отработавших газах.
Блок 204 датчиков ТЧ может содержать второй датчик 212B ТЧ, имеющий ту же конфигурацию, что и первый датчик 212A ТЧ. Это означает, что датчик 212B ТЧ может содержать подложку 216B, пару плоских перемежающихся электродов 218B, нагревательный элемент 222B, контактные колодки 214B и соединительную проводку 215B, соединяющую датчик 212B ТЧ с внешним модулем 220 управления. Таким образом, подробности устройства каждого из компонентов второго датчика 212B ТЧ могут быть аналогичны соответствующим компонентам датчика 212A ТЧ, описанным выше. В соответствии с одним из вариантов осуществления блок 204 датчиков ТЧ может содержать два вышеописанных датчика 212A и 212B ТЧ, расположенных один напротив другого и разделенных керамическим разделителем 211 на расстояние D. Датчики 212A и 212B ТЧ могут быть установлены так, чтобы отработавшие газы, поступающие внутрь блока 204 датчиков ТЧ через отверстия 205, протекали в направлении, параллельном коротким сторонам подложек 216A и 216B. В альтернативном варианте поток отработавших газов может поступать в блок датчиков ТЧ и выходить из него через основание цилиндрической трубки 208 в направлении, параллельном длинным сторонам подложек 216A и 216B, как обозначено стрелками, соответственно, 203 и 201. В любом случае механизм, используемый блоком 204 датчиков ТЧ для обнаружения ТЧ в отработавших газах, остается неизменным. Вариант осуществления, предусматривающий наличие двух датчиков 212A и 212B ТЧ, подробно описан ниже со ссылками на фиг. 3A. В альтернативном варианте осуществления один из двух датчиков ТЧ блока 204 датчиков ТЧ, например, датчик 212B ТЧ, может быть заменен на проводящую пластину, на которую подают напряжение, смещенное относительно напряжения, подаваемого на оставшийся датчик ТЧ (например, датчик 212A ТЧ), причем такая пластина отделена от датчика на расстояние D керамическим разделителем 211. Данный вариант осуществления подробно описан ниже со ссылками на фиг. 3B.
На фиг. 3A представлена схема 300 примера осуществления блока 204 датчиков ТЧ, содержащего два датчика 212A и 212B ТЧ, в разобранном виде. Первый датчик 212A ТЧ может содержать пару перемежающихся электродов 302A и 304A. Аналогичным образом, второй датчик 212B ТЧ может содержать пару перемежающихся электродов 302B и 304B. Датчики 212A и 212B ТЧ могут быть установлены в блоке 204 датчиков ТЧ так, чтобы электроды 302A и 304A первого датчика 212A ТЧ были расположены напротив соответствующих электродов 304B и 3012B второго датчика 212B ТЧ. Электроды 302B и 304B датчика 212B ТЧ обозначены на фиг. 3A штриховыми линиями, так как в представленном на чертеже виде они не видны. Гребенчатая структура перемежающихся электродов может покрывать часть плоских подложек 26A и 216B, расположенную внутри защитной трубки 206. Как было указано выше, расстояние между «зубьями» двух электродов 302A и 304A (так же как и электродов 302B и 304B), как правило, может составлять от 10 микрон до 100 микрон, причем длина каждого отдельного «зуба» также может составлять от 10 микрон до 100 микрон. В таком случае число пар электродов датчика 212A ТЧ равно отношению суммарной длины электродов (около 10 мм) к среднему расстоянию между соседними «зубьями» одного и того же электрода (равному сумме ширины электрода 302A, ширины электрода 304A и удвоенной ширины зазора между электродами 302A и 304A). Аналогичным образом может быть получено и число пар электродов датчика 212B ТЧ. Оба датчика 212A и 212B ТЧ в данном варианте осуществления могут быть выполнены в виде пар плоских перемежающихся электродов, установленных в блоке 204 датчиков ТЧ так, чтобы первый датчик 212A ТЧ был расположен по существу параллельно второму датчику 212B ТЧ. Измерительная поверхность, на которой расположена пара перемежающихся электродов 302A и 304A, датчика 212A ТЧ и соответствующая поверхность датчика 212B ТЧ, на которой расположена пара перемежающихся электродов 302B и 304B, могут быть расположены одна напротив другой так, чтобы положения центров этих двух поверхностей соответствовали друг другу. Другими словами, датчики не сдвинуты один относительно другого, но расположены вровень один с другим, так что центр, верхняя поверхность, нижняя поверхность, а также левая и правая стороны любого из датчиков расположены в соответствии с аналогичными элементами второго датчика. На иллюстрации 300 поток отработавших газов может протекать внутри блока 204 датчиков ТЧ между датчиками 212A и 212B ТЧ в направлении, обозначенном стрелкой 202. В альтернативном варианте осуществления поток отработавших газов может протекать в перпендикулярном направлении, обозначенном стрелкой 203, как было описано выше. Принципы работы датчиков ТЧ остаются неизменными при обоих направлениях течения потока отработавших газов. Датчики 212A и 212B ТЧ могут быть разнесены на расстояние D при помощи керамического разделителя 211. В соответствии с одним из примеров осуществления расстояние D может быть равно 2 мм. Подробное описание датчиков 212A и 212B ТЧ приведено выше со ссылками на фиг. 2.
+
-
+
-
+
-
+
-
Первый датчик 212A ТЧ может содержать подложку 216A, имеющую длину L и ширину W, причем на такой подложке установлены плоские перемежающиеся электроды 302A и 304A. В соответствии с одним из примеров осуществления длина каждого из датчиков ТЧ равна 10 мм, а ширина датчика ТЧ равна 5 мм. Датчик 212A ТЧ также может содержать нагревательный элемент 222A, который может быть использован для очистки датчика 212A ТЧ путем сжигания частиц золы, осажденных между электродами 302A и 304A. Один из электродов каждого датчика (например, электрод 302A датчика 212A ТЧ) может быть соединен с положительным терминалом 306 первого источника напряжения модуля 220 управления через контактную колодку 214A и получать от него положительное напряжение (V). Второй электрод данного датчика (например, электрод 304A датчика 212A ТЧ) может быть соединен с отрицательным терминалом 308 того же источника напряжения модуля 220 управления и получать от него отрицательное напряжение (V). Таким образом, на два электрода первого датчика подают напряжение разной полярности (но с одинаковым абсолютным значением) путем соединения таких электродов с противоположными терминалами общего источника напряжения. Другими словами, напряжения V и V имеют противоположную полярность, но одинаковые абсолютные значения. Следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления изобретения электроды 302A и 302B могут быть подсоединены к разными источникам напряжения. Например, электрод 302A может быть подсоединен к положительному терминалу источника напряжения на +25 B, т.е. V=+25 В, а электрод 304A может быть заземлен, т.е. V=0 В. Положительный и отрицательный терминалы 306 и 308 могут быть соединены с источником питания модуля 220 управления. Разность потенциалов между терминалами 306 и 308 определяют как (V-V).
HIGH
+
HIGH
+
HIGH
-
HIGH
-
+
-
HIGH
-
HIGH
HIGH
+
-
HIGH
+
-
+
-
HIGH
Подробности устройства каждого из компонентов второго датчика 212В ТЧ могут быть аналогичны соответствующим компонентам датчика 212A ТЧ, описанного выше. Второй датчик 212B ТЧ может содержать подложку 216B, имеющую длину L и ширину W, причем на такой подложке установлены плоские перемежающиеся электроды 302B и 304B. В соответствии с одним из примеров осуществления размеры второго датчика могут быть равны размерам первого датчика. Второй датчик 212B ТЧ также может содержать нагревательный элемент 222B, который может быть использован для регенерации датчика 212B ТЧ. Первый электрод 302В второго датчика 212B ТЧ может быть подсоединен к положительному терминалу 310 второго источника напряжения блока 220 управления, на который подают напряжение (V+V), более положительное, чем положительное напряжение, подаваемое на первый электрод 302A датчика 212A ТЧ (то есть V>>V). Второй электрод 304В датчика 212B ТЧ может быть подсоединен к отрицательному терминалу 312 второго источника напряжения модуля 220В управления, на который подают напряжение (V-V). Напряжение (V-V), подаваемое на электрод 304B датчика 212B ТЧ, может быть более отрицательным, чем отрицательное напряжение, подаваемое на первый электрод 302B датчика 212B ТЧ, так что разность потенциалов между терминалами 310 и 312 может быть определена как (V)-(V). Однако напряжение (V-V), подаваемое на электрод 302В датчика 212B ТЧ, может быть более положительным, чем напряжение на втором электроде 304A датчика 212A ТЧ. Другими словами, напряжение на втором датчике 212B ТЧ может быть смещено относительно напряжения на первом датчике 212A ТЧ на величину V. Наличие такого сдвига напряжения усиливает электростатическое притяжение между любыми двумя перемежающимися электродами и повышает эффективность уловления сажи. Напряжения V, V, V могут быть подобраны так, что V>>V>V. В соответствии с одним из примеров осуществления могут быть использованы следующие значения напряжения: V=+12,5 В, V=-12,5 В и V=1000 В. Разница потенциалов между электродами 302B и 304A, а также между электродами 304В и 302А создает электрическое поле, направленное нормально к поверхности обоих датчиков ТЧ и, следовательно, способствующее уловлению сажи поверхностями датчиков. Причины использования такого решения и принципы его работы подробно раскрыты ниже со ссылками на фиг. 4.
+
-
+
-
HIGH
HIGH
+
-
HIGH
HIGH
На фиг. 3B представлена схема 350 альтернативного варианта осуществления блока 204 датчиков ТЧ, в котором второй датчик 212B ТЧ заменен на проводящую пластину 352. В варианте осуществления по иллюстрации 350 блок 204 датчиков ТЧ содержит первую пару плоских перемежающихся электродов (далее называемую датчиком 212A ТЧ) и вторую проводящую пластину 352, отнесенную на расстояние D керамическим разделителем 211. Блок датчиков может быть установлен так, чтобы направление течения отработавших газов между датчиком 212A ТЧ и проводящей пластиной 352 блока 204 датчиков ТЧ при течении отработавших газов от сажевого фильтра к выхлопной трубе соответствовало направлению, обозначенному либо стрелкой 202, либо стрелкой 203. Как и в конфигурации по фиг. 3A, электрод 302A датчика 212A ТЧ может быть подсоединен через контактную колодку 214A к положительному терминалу 306 первого источника напряжения модуля 220 управления, на который подают положительное напряжение (V). Второй электрод 304A датчика 212A ТЧ может быть подсоединен через контактную колодку 214A к отрицательному терминалу 308 первого источника напряжения модуля 220 управления, на который подают отрицательное напряжение (V). Разность потенциалов между терминалами 306 и 308 может быть определена как (V-V). Проводящая пластина 352, имеющая длину L и ширину W, может быть расположена в блоке 204 датчиков ТЧ на расстоянии D от датчика 212A ТЧ. В соответствии с одним из примеров осуществления расстояние D может быть равно 2 мм. Проводящая пластина может быть подсоединена через контактную колодку 356 к терминалу 354 напряжения, на котором поддерживают положительный потенциал V, такой, что V>>V>V. Терминалы 306, 308 и 354 могут быть подсоединены к источникам напряжения модуля 220 управления. Расположение датчика на расстоянии от проводящей пластины обеспечивает возможность создания дополнительного электрического поля, направленного нормально к поверхности датчика 212A ТЧ, что приводит к усилению электростатического притяжения ТЧ к поверхности датчика и повышению эффективности уловления ТЧ поверхностью датчика. Расстояние между пластиной, находящейся под высоким напряжением, и плоским измерительным элементом, как правило, может составлять от 1 мм до 2 мм. Значения напряжения V и разделительного расстояния D выбирают так, чтобы среднее значение напряженности Е электрического поля на середине расстояния между двумя поверхностями составляло приблизительно 1000 В/мм (E≈V/D).
На фиг. 4 представлены силовые линии электрического поля, создаваемого в блоке датчиков ТЧ в соответствии с вариантами осуществления по фиг. 3. Осаждение сажи на электроды датчиков ТЧ происходит благодаря электростатическому притяжению заряженных частиц сажи к поверхности датчиков под влиянием электрического поля, генерируемого парами плоских перемежающихся электродов 218A и 218B датчиков 212A и 212B ТЧ.
2
На первой иллюстрации 400 представлен один датчик 212A ТЧ в поперечном разрезе по плоскости, перпендикулярной поверхности датчика 212A ТЧ. Датчик 212A ТЧ может содержать подложку 216A и пары перемежающихся электродов 302A и 304A, на которых поддерживают положительный и отрицательный потенциалы путем их подсоединения, соответственно, к терминалам 306 и 308 напряжения, как описано выше со ссылками на фиг. 3A. Для упрощения иллюстрации на схеме 400 представлено меньшее число пар электродов 302A и 304A в составе датчика 212A ТЧ. Вследствие отделения положительных электродов 302A от отрицательных электродов 304A вдоль датчика 212A ТЧ может быть образовано несколько электрических диполей (или электрических полей). Силовые линии электрических полей, определяющие направления электрических полей, обозначены линиями 408 и 410. Важно отметить, что силовые линии 408 и 410 электрических полей противонаправлены, так как силовые линии электрического поля проходят от положительного заряда к отрицательному заряду. В некотором объеме 402 твердых частиц или частиц сажи, которые могут быть электрически заряжены и содержаться в потоке отработавших газов, протекающем в направлении, обозначенном стрелкой 203, (вдоль оси y) или в направлении 202 (вдоль оси z), может присутствовать некоторое количество отрицательно заряженных частиц (черные точки, 404) и некоторое количество положительно заряженных частиц (серые точки, 406). В области, непосредственно соседствующей с поверхностью электродов 302A и 304A датчика 212A ТЧ, проиллюстрированной областью 414, напряженность электрического поля может быть более высокой, и число заряженных ТЧ, притягиваемых электродами противоположного заряда и осаждаемых на поверхности датчика 212A ТЧ, может быть большим. Другими словами, происходит осаждение отрицательно заряженных частиц 404, проходящих близко к датчику 212A ТЧ, вблизи положительного электрода 302A и притяжение положительно заряженных частиц 406, проходящих близко к датчику 212A ТЧ, к отрицательному электроду 304A и их осаждение вблизи отрицательного электрода 304А. По мере осаждения ТЧ между электродами 302A и 304A с образованием сажевых перемычек возможно изменение сопротивления между электродами пары, причем такое изменение сопротивления может быть зарегистрировано схемой, аналогичной представленной на фиг. 5. Однако напряженность электрического поля спадает с увеличением расстояния в соотношении E~1/r, где E - напряженность электрического поля, а r - расстояние от заряженной частицы до поверхности электрода. Поэтому только частицы, расположенные в непосредственной близости от электродов 302A и 304A, могут быть подвергнуты воздействию такого электрического поля и могут быть осаждены на электроды 302A и 304. Как было указано выше, на больших расстояниях от поверхности электродов воздействие электрического поля на ТЧ может быть пренебрежимо малым, и такие частицы могут не быть обнаружены датчиком. В области 412 представлены частицы, которые могут не испытывать воздействия электрического поля, образованного между электродами 302A и 304A, и, таким образом, проходить через детектор 212A ТЧ необнаруженными. Частицы, находящиеся в области 412, могут соответствовать частицам, присутствующим в отработавших газах, но не обнаруженных датчиком 212A ТЧ.
HIGH
Для повышения чувствительности обнаружения и сокращения числа частиц сажи, проходящих через датчик в атмосферу необнаруженными, авторы настоящего изобретения разработали блок 204 датчиков ТЧ, содержащий два датчика 212A и 212B ТЧ, расположенные один напротив другого, как показано на фиг. 3A, причем на датчик 212B подают напряжение с дополнительным высоковольтным смещением относительно напряжения, подаваемого на другой датчик 212A ТЧ, тем самым создавая дополнительное электрическое поле, направленное нормально к обоим датчикам 212A и 212B ТЧ. В альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг. 3B, датчик 212B ТЧ может быть заменен на проводящую пластину 352, на которое подают напряжение V смещения относительно датчика 212A ТЧ, также создавая дополнительное электрическое поле, направленное нормально как к датчику 212A ТЧ, так и к проводящей пластине 352. Подача смещающего напряжения обеспечивает образование дополнительного электрического поля между датчиками ТЧ (фиг. 3A) или между датчиком ТЧ и проводящей пластиной (фиг. 3B). Такое дополнительное электрическое поле усиливает электростатическое притяжение заряженных ТЧ к поверхности датчиков ТЧ и проводящей пластины и повышает чувствительность обнаружения ТЧ блоком 204 датчиков ТЧ.
+
-
HIGH
+
HIGH
-
HIGH
+
-
+
-
+
-
На иллюстрации 425 фиг. 4 представлен в разрезе блок 204 датчиков ТЧ, содержащий два датчика 212A и 212B ТЧ, расположенные один напротив другого и разделенные расстоянием D. Как описано в отношении варианта осуществления, представленном на иллюстрации 300, электрод 302A первого датчика 212A ТЧ может быть подсоединен к положительному терминалу 306 (V), а второй электрод 304A первого датчика 212A ТЧ может быть подсоединен к отрицательному терминалу 308 (V). На электрод 302В второго датчика 212B ТЧ может быть подано второе положительное напряжение (V+V), а на второй электрод 304B второго датчика 212B ТЧ может быть подано напряжение (V-V), причем (V>>V>V). На иллюстрации 425 представлены два датчика 212A и 212B ТЧ, причем между отдельными электродами 302A-304A и 302B-304В существует разница потенциалов (V-V), что приводит к возникновению вдоль поверхности каждого из датчиков 212A и 212B ТЧ нескольких электрических диполей, как описано выше в приложении к иллюстрации 400. Силовые линии электрического поля, обозначенные линиями 426A и 428A для датчика 212A ТЧ и линиями 426B и 428B для датчика 212B ТЧ, противонаправлены. Силовые линии 426B и 428B электрического поля для датчика 212В ТЧ также противонаправлены, так как между электродами 302B и 304B существует разность потенциалов, равная (V-V).
HIGH
HIGH
+
-
HIGH
-
+
HIGH
+
-
HIGH
HIGH
Однако в этом случае благодаря наличию смещения V напряжения датчика 212B ТЧ относительно датчика 212A ТЧ происходит образование дополнительного электрического поля, нормального к поверхности датчиков 212A и 212B ТЧ. В паре электродов 302B-304A датчиков 212A и 212B ТЧ на электрод 302В подают напряжение (V+V), а на электрод 304A подают напряжение V. Образованное дополнительное электрическое поле может иметь силовые линии, обозначенные линиями 430, которые могут быть нормальны к поверхности датчиков 212A и 212B ТЧ, но направлены от датчика 212B ТЧ к датчику 212A ТЧ. В смежной паре электродов 304B-302A датчиков 212A и 212B ТЧ на электрод 304B подают напряжение (V-V), а на электрод 304A подают напряжение V, а поскольку V>>V>V, потенциал электрода 304B может быть выше потенциала электрода 302A. Образованное дополнительное электрическое поле может быть нормально к поверхности датчиков 212A и 212B ТЧ, причем его силовые лини также могут быть направлены от датчика 212B ТЧ к датчику 212A ТЧ, как обозначено силовыми линиями 432 электрического поля. В области, близкой к поверхности датчиков 212A и 212B ТЧ, электрические поля, обозначенные линиями 426A, 428A, 426B и 428B, могут быть достаточно сильны для притяжения ТЧ, как описано выше в приложении к иллюстрации 400. Однако благодаря наличию дополнительных электрических полей, обозначенных силовыми линиями 430 и 432, заряженные ТЧ, находящиеся в объеме 402 и перемещающиеся с потоком вдоль поверхности датчиков 212A и 212B ТЧ в направлении, обозначенном стрелкой 212, могут быть подвержены воздействию дополнительного электростатического притяжения к датчикам 212A и 212B ТЧ в зависимости от заряда таких частиц. Другими словами, положительно заряженные частицы (серые точки, 406) могут испытывать сильное отталкивание со стороны датчика 212B ТЧ, на который подают положительное напряжение V относительно датчика 212A ТЧ, вследствие чего они могут испытывать сильное притяжение к датчику 212A ТЧ. При приближении положительно заряженных частиц 406 к поверхности датчика 212A ТЧ происходит их осаждение вблизи отрицательно заряженного электрода 304A, как показано на иллюстрации 425. Аналогичным образом, отрицательно заряженные частицы (черные точки, 404) могут испытывать сильное притяжение к датчику 212B ТЧ, на который подают положительное напряжение V относительно датчика 212A ТЧ. Они могут быть осаждены вблизи положительного электрода 310 датчика 212B ТЧ, как показано на иллюстрации 425. Область, расположенная между двумя датчиками 212A и 212B ТЧ, в которой заряженные частицы могут испытывать воздействие электростатического притяжения, обозначенная рамкой 414, может охватывать все пространство между двумя датчиками 212A и 212B ТЧ, причем размеры ее могут быть больше, чем размеры области 414, представленной на иллюстрации 400, соответствующей наличию одного датчика 212A ТЧ.
Кроме того, в варианте осуществления по иллюстрации 425 осаждение частиц сажи между электродами 302A-304A и 302B-304B может приводить к изменению сопротивления между электродами этих пар, причем такое изменение может быть обнаружено схемой, представленной на фиг. 5. При наличии двух датчиков 212A и 212B ТЧ, расположенных один напротив другого, причем на один из них подают напряжение, смещенное относительно напряжения, подаваемого на второй датчик, чувствительность датчиков 212A и 212B ТЧ может быть повышена путем увеличения электростатического притяжения между двумя датчиками 212A и 212B ТЧ. Это приводит к увеличению числа частиц сажи, осаждаемых на датчиках 212A и 212B ТЧ. В данном варианте осуществления могут быть предусмотрены два выходных сигнала датчиков ТЧ, по одному от каждого из датчиков 212A и 212B, причем оба таких сигнала могут быть увеличены, а среднее значение двух таких выходных сигналов датчиков может быть использовано для вычисления суммарного содержания ТЧ в отработавших газах двигателя. В соответствии с одним из примеров осуществления такое среднее может представлять собой статистическое среднее или взвешенное среднее выходных сигналов двух датчиков 212A и 212B ТЧ.
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
-
HIGH
+
-
Таким образом, обнаружение ТЧ или частиц сажи может быть оптимизировано при помощи двух датчиков 212A и 212B ТЧ несколькими путями с использованием смещения напряжения между двумя датчиками. Например, увеличение напряжения V, которое определяет смещение напряжения датчика 212B ТЧ относительно датчика 212A ТЧ, можно увеличить напряженность электрического поля, что может обеспечить дальнейшее усиление электростатического притяжения, которое могут испытывать ТЧ или частицы сажи, находящиеся в объеме 402, в области, расположенной между двумя датчиками 212A и 212B ТЧ. Другими словами, повышение напряжения V может усилить осаждение ТЧ на электродах 302A-304A и 302B-304B, соответственно, датчиков 212A и 212B ТЧ. В другом примере обнаружение ТЧ также может быть оптимизировано путем уменьшения расстояния D между датчиками 212A и 212B ТЧ. Уменьшение расстояния D между датчиками 212A и 212B ТЧ может привести к увеличению напряженности электрического поля между датчиками 212A и 212B ТЧ, так как величина напряженности электрического поля между двумя датчиками ТЧ есть E≈V/D, что приводит к росту осаждения ТЧ на датчиках 212A и 212B ТЧ. Следует отметить, что соотношение E≈V/D для напряженности поля справедливо вблизи серединной плоскости между двумя датчиками, то есть в области, настолько удаленной от их электродов, чтобы величина напряженности полей, соответствующих силовым линиям 426A, 428A и 426B, 428В, была достаточно уменьшена. Однако расстояние между датчиками может быть уменьшено лишь до некоторого предела, соответствующего минимальному практически осуществимому расстоянию между датчиками. Например, одним из практических соображений, которые необходимо принять во внимание, является приемлемая точность определения величины D, необходимая для получения заданного значения напряженности поля. Такая точность становится все большей и, возможно, недостижимой по мере уменьшения значений D. Другое практическое ограничение связано с тем, что уменьшение значения D приводит к росту вероятности возникновения короткого замыкания между датчиками в результате попадания между ними посторонних объектов, таких как частицы металла, из выхлопной системы. Увеличение значения D снижает такую вероятность. Таким образом, для максимизации напряженности электрического поля и, следовательно, сбора сажи может быть использовано сочетание увеличения V и/или уменьшения D. Однако такая максимизация имеет верхний предел. При напряженности электрического поля около 3000 В/мм возникает диэлектрический пробой воздуха. Во избежание возникновения между датчиками 212A и 212B электрической дуги величины V и D должны быть подобраны так, чтобы значение E≈V/D было меньше ~3000 В/мм. В соответствии с другим примером осуществления, при напряжении V, более отрицательном, чем V, но при условии соблюдения ограничения |V|>>|V-V|, хотя силовые линии электрического поля будут направлены в сторону, противоположную обозначенной линиями 430 и 432, два датчика 212A и 212B ТЧ блока датчиков ТЧ также могут обеспечить обнаружение большего числа ТЧ. Однако при этом обнаружение положительно заряженных ТЧ может производиться датчиком 212B ТЧ, а отрицательно заряженных ТЧ - датчиком 212A ТЧ.
+
-
HIGH
HIGH
+
-
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
На иллюстрации 450 представлен в разрезе блок датчиков по варианту осуществления, представленному на фиг. 3B, в котором датчик 212B ТЧ может быть заменен на проводящую пластину 352. В представленном на иллюстрации 450 варианте осуществления по иллюстрации 350 блок 204 датчиков ТЧ содержит первую пару перемежающихся плоских электродов датчика 212A ТЧ и вторую проводящую пластину 352, удаленную от него на расстояние D, которая может быть установлена таким образом, чтобы обеспечить протекание потока отработавших газов в направлении, обозначенном стрелкой 202, между датчиком 212A ТЧ и проводящей пластиной 352 блока 204 датчиков ТЧ. Датчик 212A ТЧ может содержать подложку 216A и пару перемежающихся электродов 302A и 304A, на которых поддерживают положительный и отрицательный потенциалы через терминалы 306 и 308 напряжения соответственно. Для упрощения иллюстрации на иллюстрации 400 представлено уменьшенное число пар электродов 302A и 304A датчика 212A ТЧ. Как было описано выше со ссылками на схему 400, благодаря отделению положительных электродов 302A от отрицательных электродов 304A может быть обеспечена возможность формирования по длине датчика 212A ТЧ нескольких электрических диполей. Силовые линии, указывающее направление действия электрического поля, обозначены линиями 426A и 428A. В отсутствие проводящей пластины 352 датчик 212A ТЧ может осуществлять обнаружение ТЧ в отработавших газах, как было описано выше со ссылками на схему 400. При наличии единственного датчика 212A ТЧ возможно притяжение заряженных ТЧ электродами с противоположным зарядом и их осаждение на поверхности датчика 212A ТЧ, как было описано выше со ссылками на схему 400, благодаря разности потенциалов, приложенных к электродам 302A и 302B, равной (V-V). Установка над датчиком 212A ТЧ проводящей пластины 352, на которой поддерживают потенциал смещения V относительно датчика 212A ТЧ, такой, что V>>V>V, обеспечивает возможность формирования дополнительного электрического поля, нормального к поверхностям датчика 212A ТЧ и проводящей пластины 352. Силовые линии такого дополнительного электрического поля, направленные нормально к поверхностям датчика 212A ТЧ и проводящей пластины 352, обозначены линиями 452. В том же объеме 402 ТС отработавших газов могут присутствовать отрицательно заряженные частицы (черные точки 404) и положительно заряженные частицы (серые точки 406). Заряженные частицы, входящие в пространство между проводящей пластиной 352 и датчиком 426A ТЧ по иллюстрации 450, в дополнение к воздействию локальных электрических полей 426A и 428A вблизи электродов датчика 426A ТЧ могут испытывать влияние дополнительного, более сильного электрического поля, порожденного разностью потенциалов между проводящей плитой 352 и датчиком 426A ТЧ. Положительно заряженные частицы, проходящие между проводящей пластиной 352 и датчиком 426A ТЧ, могут испытывать отталкивание от проводящей пластины, на которой может быть установлен положительный потенциал (V) относительно электродов 302A и 304A, в результате чего такие положительно заряженные частицы могут быть притянуты к датчику 212A ТЧ. Вблизи измерительных электродов 302A и 304B такие положительно заряженные частицы могут испытывать воздействие электрического поля, установленного между электродами, и могут быть осаждены между электродами 302A и 304B, как показано на иллюстрации 450. Отрицательно заряженные частицы, проходящие между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ, могут быть притянуты к проводящей пластине 352, выходя из блока 204 датчиков ТЧ в направлении, обозначенном стрелкой 456. В варианте осуществления, представленном на иллюстрации 450, может быть обеспечена возможность уловления большинства положительно заряженных частиц, проходящих между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ, что обеспечивает повышение чувствительности датчика 212A ТЧ. Кроме того, напряженность электрического поля может быть увеличена или уменьшена путем изменения напряжения V, что может обеспечить возможность изменения количество сажи, осаждаемой на датчике 212A ТЧ, так как осаждение сажи напрямую зависит от значения прилагаемого напряжения смещения V. Напряжение смещения V. подаваемое на проводящую пластину 352, может быть использовано в качестве средства направления положительно заряженных частиц сажи к перемежающимся электродам датчика 212A ТЧ. Напряжение V может быть подобрано так, чтобы напряженность полученного электронного поля была достаточной для направления большинства положительно заряженных частиц сажи с характерными скоростями передвижения в область, близкую к поверхности датчика 212A ТЧ, на которую они могут быть осаждены, со снижением вероятности их прохождения датчика 212A ТЧ без обнаружения. В альтернативной конфигурации на проводящей пластине 352 может быть установлен отрицательный относительно датчика 212A ТЧ потенциал; в таком случае может быть обеспечена возможность осаждения на поверхности датчика 212A ТЧ всех отрицательно заряженных частиц. В альтернативном варианте эффективность обнаружения ТЧ может быть повышена путем уменьшения расстояния D между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ. Уменьшение расстояния D между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ может обеспечить увеличение напряженности электрического поля между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ, так как E≈V/D, как было описано выше, что приводит к увеличению количества ТЧ, осаждаемых на датчике 212A ТЧ. Следует отметить, что формула E≈V/D определяет величину напряженности поля вблизи серединной плоскости между проводящей пластиной 352 и датчиком 212A ТЧ, в области, достаточно удаленной от электродов датчика 212A для уменьшения напряженности полей, соответствующих линиям 426A и 428A.
На фиг. 5 представлены упрощенные принципиальные схемы примеров осуществления блока датчиков ТЧ в соответствии с настоящим изобретением. На иллюстрации 500 представлена принципиальная схема для блока датчиков ТЧ по иллюстрации 300. Хотя для более ясного представления электронных компонентов схемы двух датчиков 212A и 212B ТЧ представлены расположенными одна рядом с другой, следует понимать, что в составе блока 204 датчиков ТЧ два датчика 212A и 212B ТЧ расположены один над другим и разнесены на расстояние D, как было подробно описано выше со ссылками на фиг. 3A. Представленная на иллюстрации 500 схема может быть разделена на измерительную часть 502 и управляющую часть 504. Для упрощения принципиальной схемы на ней представлено уменьшенное число перемежающихся электродов 302A-304A первого датчика 212A ТЧ и перемежающихся электродов 302B-304B второго датчика 212B ТЧ. Управляющая часть 504 блока 204 датчиков ТЧ, содержащего датчики 212A и 212B ТЧ, как описано выше со ссылками на иллюстрацию 300, может содержать измерительный прибор или другие средства измерения импеданса подсоединенных к ним контуров. В соответствии с одним из примеров осуществления управляющей части 504 такие средства измерения импеданса могут содержать источник напряжения, нагрузочные резисторы (518, 520) и средства измерения напряжения (514, 516), причем все эти элементы могут быть установлены в модуле 220 управления и соединены с соответствующими датчиками через контактные колодки 214A и 214B по фиг. 2, как будет подробно описано в следующем разделе. Описываемая схема представляет собой один из примеров осуществления метода измерения малых токов, образуемых вследствие осаждения ТЧ на поверхности датчика ТЧ. Также могут быть применены и другие методы измерения токов и использованы более сложные схемы (например, с использованием операционных усилителей).
A
+
A
A
-
B
HIGH
-
B
A
B
A
HIGH
-
Электрод 302A датчика 212A ТЧ может быть соединен электропроводящим проводом 506 с нагрузочным резистором 518, сопротивление которого равно R, который может быть подсоединен к терминалу 306 напряжения, на который подают положительное напряжение V. В соответствии с одним из примеров осуществления сопротивление R равно 10 кОм. Характерные значения силы тока, измеренные на известных резистивных датчика ТЧ при максимальной нагрузке, могут составлять менее 0,1 мА (миллиампера). При максимальном токе, равном 0,1 мА, падение напряжения на резисторе 508 с сопротивлением Rсоставляет 1 В. Электрод 304A датчика 212A ТЧ может быть подсоединен электропроводящим проводом 508 к терминалу 308 напряжения, на который подают отрицательное напряжение V. В альтернативном варианте осуществления нагрузочный резистор 518 может быть подключен между электродом 304A и терминалом напряжения 308. Терминалы 306 и 308 могут быть подключены к положительному и отрицательному терминалам одного и того же источника напряжения V, который может быть предусмотрен в составе модуля 220 управления, или могут быть подключены к разным источникам напряжения, как было описано выше. Электрод 304B датчика 212B ТЧ может быть соединен электрическим проводом 510 с нагрузочным резистором 520, сопротивление которого равно R, который может быть подсоединен к терминалу 312 напряжения источника напряжения модуля 220В управления, на который подают напряжение (V-V). В соответствии с одним из примеров осуществления сопротивление R равно сопротивлению R. В других примерах осуществления сопротивление R может быть больше или меньше сопротивления R. Электрод 302B датчика 212B ТЧ может быть подсоединен к источнику напряжения модуля 220 управления электрическим проводом 512 через терминал 310 напряжения, на который подают положительное напряжение (V+V). В альтернативном варианте осуществления нагрузочный резистор 520 может быть подключен между электродом 302B и терминалом напряжения 310. Питание, подаваемое в источники постоянного напряжения модуля 220 управления, может быть выведено из стандартных преобразователей постоянного напряжения, используемых в автомобильной промышленности.
+
-
+
-
HIGH
A
B
Терминалы 306 и 308 могут быть подобраны так, чтобы разница потенциалов между двумя электродами 302A и 304A датчика 212A ТЧ составляла (V-V). В соответствии с одним из примеров осуществления такая разница потенциалов может быть установлена равной 25B. Аналогичным образом, напряжение может быть подобрано так, чтобы разница потенциалов между двумя электродами 302B и 304B датчика 212B ТЧ составляла (V-V). Однако, как было описано выше со ссылками на иллюстрацию 425, между датчиками 212A и 212B ТЧ может быть предусмотрено дополнительное смещение напряжения V для создания между двумя датчиками дополнительного электрического поля, как показано на фиг. 4. Между двумя электропроводящими проводами 506 и 508 может быть подключен измерительный прибор 514. Аналогичным образом, между двумя электропроводящими проводами 510 и 512 может быть подключен измерительный прибор 516. В качестве такого измерительного прибора может быть использован любой прибор, выполненный с возможностью измерения изменений сопротивления между электродами, например, вольтметр. Напряжение, измеренное прибором 514, может быть обозначено V, а напряжение, измеренное прибором 516, может быть обозначено V.
В измерительной части 502, образованной датчиками 212A и 212B ТЧ, электроды 302A, 304A, 302B и 304B могут быть электрически изолированы, в связи с чем сопротивление (удельное сопротивление) между электродами пар каждого из датчиков ТЧ может быть высоким в отсутствие осажденных между ними ТЧ. По мере осаждения ТЧ или частиц сажи между электродами 302A и 304A сопротивление между ними может начать падать, из чего следует, что напряжение, измеряемое измерительным прибором 514, также может начать падать. Аналогичным образом, по мере осаждения ТЧ или частиц сажи между электродами 302B и 304B сопротивление между ними может начать падать, из чего следует, что напряжение, измеряемое измерительным прибором 516, также может начать падать. Управляющая часть 504 может иметь возможность определения сопротивления пар электродов 302A-304A и 302B-304B по значениям напряжения, измеренным измерительными приборами 514 и 516 соответственно. Изменения сопротивления, обнаруживаемые измерительными приборами 514 и 516, могут затем быть использованы для оценки уровня накопления ТЧ или сажи на плоских электродах 302A-304A и 302B-304B, соответственно, датчиков 212A и 212B ТЧ. Использование сочетания показаний обоих датчиков 212A и 212B ТЧ обеспечивает возможность более точного измерения уровня сажи ниже ДСФ по потоку отработавших газов и, таким образом, диагностики и контроля состояния и работы ДСФ. Среднее значение уровня ТЧ может быть определено как средневзвешенное значение или статистическое среднее (или другой статистический параметр, например, среднее значение, мода или медиана) выходных данных датчиков 212A и 212B ТЧ. Полученная оценка уровня ТЧ может затем быть использована для контроля и диагностики работы ДСФ выхлопной системы. Повышение чувствительности и точности датчиков ТЧ может обеспечить возможность обнаружения большего количества ТЧ в отработавших газах и получения более точной и достоверной оценки уровня сажи, накопленной на ДСФ.
HIGH
A
На иллюстрации 550 представлена принципиальная схема примера осуществления блока датчиков ТЧ по фиг. 3B. Следует понимать, что в блоке 204 датчиков ТЧ датчик 212A ТЧ и проводящая пластина 352 расположены друг над другом и разнесены на расстояние D, как было подробно описано выше со ссылками на фиг. 3B. Представленная на иллюстрации 550 схема может быть разделена на измерительную часть 502 и управляющую часть 504. Датчик 212A ТЧ по иллюстрации 550 может содержать элементы, подробно описанные выше со ссылками на иллюстрацию 500, а датчик 212B ТЧ по иллюстрации 500 может быть заменен на проводящую пластину 352. Управляющая часть 504 может содержать средства измерения импеданса соединенного с ними контура. В соответствии с одним из примеров осуществления управляющей части 504 такие средства измерения импеданса могут содержать источники напряжения, нагрузочный резистор (518) и прибор для измерения напряжения (514), причем все эти элементы могут быть предусмотрены в составе модуля 220 управления по фиг. 2. Проводящая пластина 352 может быть соединена с источником 552 напряжения, поддерживающим на ней потенциал V. Между электропроводящими проводами 506 и 508 может быть подключен измерительный прибор 514. В качестве такого измерительного прибора 514 может быть использован любой прибор, выполненный с возможностью измерения изменений сопротивления между электродами, например, вольтметр. Напряжение, измеренное прибором 514, может быть обозначено V. В измерительной части 502, образованной датчиком 212А ТЧ, электроды 302A и 304A могут быть электрически изолированы, в связи с чем сопротивление (или удельное сопротивление) между этими двумя электродами пар может быть высоким в отсутствие осажденных между ними ТЧ. По мере осаждения ТЧ или частиц сажи между электродами 302A и 304A сопротивление между ними может начать падать, из чего следует, что напряжение, измеряемое измерительным прибором 514, также может начать падать. Управляющая часть 504 может иметь возможность определения сопротивления пары электродов 302A-304A по значениям напряжения, измеренным измерительным прибором 514. Изменения сопротивления, определяемые измерительным прибором 514, могут затем быть преобразованы в значение уровня накопления ТЧ или сажи на плоских электродах 302A-304A датчика 212A. Среднее значение уровня ТЧ, определенное по данным датчиков 212A и 212B ТЧ, может затем быть использовано для... Такое значение может более чем в два раза превышать значения, получаемые блоком с одним датчиком. Результаты измерений также могут быть использованы для проверки достижения датчиками порога регенерации. Процесс регенерации может требовать наличия дополнительных схем, соединенных с нагревательными элементам 222A и 222B (не представлены); повышение температуры обеспечивает возможность удаления частиц сажи с поверхности датчиков.
На фиг. 6 представлена блок-схема верхнего уровня, иллюстрирующая способ произведения регенерации ДСФ выхлопной системы в соответствии с выходными данными блока датчиков давления. В частности, в данной процедуре используют процесс регенерации резистивных датчиков блока датчиков для уточнения уровня накопления сажи на ДСФ и планирования регенерации ДСФ с использованием подсоединенного процессора.
На этапе 602 данного способа производят оценку и/или измерение параметров работы двигателя. В число определяемых параметров работы двигателя могут входить, например, скорость вращения двигателя, температура двигателя, воздушно-топливное отношение отработавших газов, временная длительность (или пройденное расстояние) после последней регенерации ДСФ, уровень наддува, параметры окружающей среды, например, барометрическое давление и температура окружающего воздуха, и т.д.
В выхлопном канале двигателя могут быть предусмотрены один или несколько датчиков давления, расположенных выше и/или ниже ДСФ по потоку и предназначенных для определения уровня сажи на ДСФ. Например, двигатель может содержать два датчика давления, установленных по разные стороны от ДСФ, причем уровень сажи оценивают по перепаду давления на ДСФ. В соответствии с другим примером осуществления выхлопной канал может содержать датчик давления, установленный выше ДСФ по потоку для определения уровня сажи на ДСФ, и резистивный датчик ТЧ, установленный ниже ДСФ по потоку для контроля работы ДСФ. Значения, измеряемые датчиком давления, падают по мере увеличения уровня сажи и могут быть использованы для оценки уровня сажи на ДСФ. В альтернативном варианте осуществления двигатель может содержать резистивный датчик ТЧ, предназначенный для измерения уровня сажи на ДСФ, причем такой резистивный датчик ТЧ расположен выше ДСФ по потоку. Для определения уровня сажи на ДСФ, диагностики работы ДСФ и выявления неисправностей ДСФ (например, обнаружения повреждений ДСФ или течей в нем) также может быть использовано сочетание датчика давления и резистивного датчика ТЧ, как описано ниже.
На этапе 604 может быть произведено определение уровня сажи на ДСФ на основе выходных данных одного или нескольких датчиков, в число которых входят датчик давления отработавших газов и блок датчиков ТЧ в отработавших газах. Достоверность данных блока датчиков ТЧ может зависеть от положения блока датчиков ТЧ относительно ДСФ. Например, уровень сажи может быть вычислен на основе изменения выходных данных датчика давления отработавших газов.
На этапе 606 может быть произведена проверка выполнения условий регенерации фильтра; например, может быть установлено, что уровень сажи на ДСФ достигает порога регенерации или превосходит его. В соответствии с одним из примеров осуществления порог регенерации представляет собой верхнее предельное значение, в случае превышения которого запускают процедуру регенерации. В случае невыполнения таких условий («НЕТ») способ переходит к этапу 610, на котором двигатель может продолжать работу без регенерации. В случае выполнения таких условий («ДА») способ переходит к этапу 608, на котором система может скорректировать параметры работы для проведения регенерации ДСФ. В контроллере двигателя могут быть сохранены инструкции по передаче сигнала регенерации контуру регенерации в соответствии с данными об уровне сажи. Во время регенерации температура фильтра (или окрестностей фильтра) может быть повышена до уровня, обеспечивающего сжигание накопленной сажи.
После проведения регенерации ДСФ на этапе 612 может быть произведена проверка падения уровня сажи ниже порогового значения. В соответствии с одним из примеров осуществления такое пороговое значение представляет собой нижний предел, ниже которого регенерацию завершают. Если уровень сажи ниже такого порогового значения, то способ переходит к этапу 616, на которой процедура регенерации ДСФ может быть завершена. Если уровень сажи на фильтре недостаточно низок, то способ переходит к этапу 614, на которой процедура регенерации ДСФ может быть продолжена. На этапе 618 может быть произведено обновление истории регенерации ДСФ. Например, может быть определена длительность временного промежутка между данным проведением процедуры регенерации и непосредственно предыдущим проведением процедуры регенерации. На этапе 610 может быть произведена диагностика ДСФ на основе данных датчика ТЧ, как описано в следующем разделе со ссылками на фиг. 7 в случае расположения датчика ТЧ ниже ДСФ по потоку.
На фиг. 7 представлена блок-схема верхнего уровня процедуры регенерации блока 204 датчиков ТЧ. На этапе 207 данного способа производят проверку работы двигателя. Для установления этого факта может быть, например, произведена проверка наличия сгорания топлива в двигателе, вращения двигателя с ненулевой скоростью, превышающей пороговую и т.п. Если двигатель не работает, способ переходит к этапу 704, на котором контроллеру может быть передана команда осуществления контроля выходных данных датчиков ТЧ. Если двигатель работает, способ переходит к этапу 706, на котором может быть определено электрическое сопротивление датчика 212A ТЧ (в варианте осуществления с использованием одного датчика ТЧ и проводящей пластины) на основе изменения электрического сопротивления датчика 212A ТЧ на выходе контура, описанного выше со ссылками на иллюстрацию 550 по фиг. 5. Кроме того, значение электрического сопротивления может быть преобразовано в значение уровня сажи на датчике ТЧ. В варианте осуществления, в котором блок 204 датчиков ТЧ содержит два датчика ТЧ, количество ТЧ в отработавших газах может зависеть от эффективного сопротивления ТЧ, определяемого на основе электрического сопротивления первой пары электродов датчика 212A ТЧ, электрического сопротивления второй пары электродов датчика 212B ТЧ, скорости изменения электрического сопротивления первой пары электродов и скорости изменения электрического сопротивления первой пары электродов в случае блока датчиков ТЧ, содержащего два датчика ТЧ. Такие значения могут быть определены на этапах 708, 710 и 712 блок-схемы по фиг. 7 и затем преобразованы в значения уровня сажи на датчиках ТЧ на этапе 714. На этапе 716 в случае выполнения условий регенерации ДСФ может быть произведена регенерация ДСФ, как описано выше со ссылками на фиг. 6.
HIGH
HIGH
HIGH
HIGH
На этапе 718 может быть определено, превышает ли уровень сажи на каком-либо из датчиков блока датчиков ТЧ (или на единственном датчике блока, в соответствии с применяемым вариантом осуществления) порог регенерации одного или нескольких датчиков. Так, когда сопротивление датчика достигает порогового значения, регенерация датчика может быть необходима для обеспечения возможности дальнейшего осаждения и обнаружения сажи. Если уровень сажи на датчиках превышает пороговое значение, то на этапе 720 может быть произведена регенерация датчиков ТЧ путем нагревания одного или нескольких датчиков нагревательными элементами 222A и 222B вплоть до выжигания ТЧ, осажденных на них. Если уровень сажи не превышает порогового значения, то на этапе 722 может быть дополнительно установлено, может ли эффективность обнаружения ТЧ, осаждаемых на датчике, быть повышена путем увеличения значения V. Как было описано выше со ссылками на фиг. 5, повышение значения V может привести к увеличению эффективности обнаружения ТЧ датчиками благодаря усилению электростатического притяжения между заряженными ТЧ и поверхностью датчика или датчиков ТЧ. При увеличении значения V можно ожидать увеличения уровня золы, а также соответствующего увеличения сопротивления. Соответственно, после повышения значения V этапы 714-718 могут быть повторены. В альтернативном варианте осуществления для повышения чувствительности обнаружения на этапе 724 может быть уменьшено расстояние D между двумя датчиками ТЧ или между датчиком ТЧ и проводящей пластиной.
HIGH
На этапе 726 после регенерации сажевых датчиков может быть произведено обновление истории регенерации датчиков ТЧ. Например, может быть уточнена частота регенерации сажевых датчиков и/или средняя длительность временного интервала между операциями регенерации датчиков. На этапе 728 уровень сажи на ДСФ может быть скорректирован на основе уровня сажи на датчике или датчиках ТЧ. Например, уровень сажи на ДСФ может быть увеличен на величину, соответствующую предполагаемому уровню сажи на датчиках на момент регенерации. В соответствии с другими примерами осуществления при каждой регенерации сажевых датчиков уровень сажи на ДСФ может быть увеличен на постоянную, заранее определенную величину. На этапе 730 значения напряжения V и расстояния D могут быть возвращены к исходным значениям, после чего процедура может быть завершена.
Фиг. 8 иллюстрирует пример процедуры 800 диагностики работы ДСФ на основе выходных данных датчиков ТЧ, причем такие датчики ТЧ расположены ниже ДСФ по потоку. На этапе 802 может быть произведено определение уровня сажи на ДСФ на основе данных, получаемых от датчика давления. На этапе 804 может быть произведено определение уровня сажи в блоке 204 датчиков ТЧ на основе изменений сопротивления датчиков ТЧ, как описано выше со ссылками на фиг. 7. На этапе 806 может быть установлено, выполнены ли условия для регенерации ДСФ (фиг. 6). Если такие условия выполнены («ДА»), то способ переходит к этапу 808, на котором может быть запущена процедура регенерации ДСФ, как было описано выше со ссылками на фиг. 6. Если такие условия не выполнены («НЕТ»), то способ переходит к этапу 810, на котором может быть продолжен контроль уровня сажи на ДСФ и датчиках ТЧ. Уровень сажи на датчиках ТЧ может быть определен, например, в момент t, причем уровень сажи на датчиках ТЧ на момент t сравнивают с уровнем сажи на датчиках ТЧ, определенный для более раннего момента, например, (t-1). На этапе 812 производят сравнение уровня сажи на датчиках ТЧ на момент (t) с уровнем сажи на датчиках ТЧ на момент (t-1) и проверку наличия существенного увеличения уровня сажи. В случае наличия такого увеличения («ДА») на этапе 814 может быть выдано сообщение о наличии течи в ДСФ. В случае отсутствия такого увеличения («НЕТ») на этапе 816 может быть выдано сообщение об отсутствии течи в ДСФ, и способ переходит к этапу 818, на котором контроль уровня сажи на датчиках ТЧ и уровня сажи на ДСФ может быть возобновлен. Как было указано выше, в альтернативных вариантах осуществления датчик ТЧ может быть расположен ниже ДСФ по потоку. В такой конфигурации датчик ТЧ может осуществлять контроль работы ДСФ и обнаружение течей в ДСФ. Фиг. 9 иллюстрирует пример связи между уровнем сажи на датчике ТЧ и уровнем сажи на ДСФ в случае расположения датчика ТЧ ниже ДСФ по потоку. На первом графике иллюстрации 900 отложен уровень сажи на датчиках ТЧ, определенный на основе изменений сопротивления датчиков, как описано выше со ссылками на фиг. 7. На втором графике отложен уровень сажи на ДСФ, определенный по выходным данным датчика давления, расположенного выше ДСФ по потоку. Штриховые линии 902 и 904 обозначают пороги регенерации, соответственно, датчика ТЧ и ДСФ.
Линия 908 на иллюстрации 900 обозначает уровень сажи на ДСФ, определенный по данным сажевого датчика давления, расположенного выше ДСФ по потоку, а кривая 906 обозначает уровень сажи на датчике ТЧ, расположенном ниже ДСФ по потоку.
В момент t0 ДСФ сравнительно чист, о чем свидетельствует низкий уровень сажи на ДСФ, как и датчик ТЧ, расположенный ниже ДСФ по потоку. С течением времени происходит накопление сежи на ДСФ, и уровень сажи, обозначенный линией 908, начинает расти. Поскольку в течение этого периода ДСФ улавливает большую часть сажи, содержащейся в отработавших газах, уровень сажи, обнаруживаемой расположенными ниже по потоку датчиками ТЧ, низок, о чем свидетельствует кривая 906. В момент t1 уровень сажи на ДСФ достигает верхнего порогового уровня 904, и ДСФ может быть регенерирован, как было описано выше со ссылками на фиг. 6. Регенерация может быть продолжена до момента t2, в который уровень сажи на ДСФ падает ниже нижнего порога 906. В соответствии с одним из примеров осуществления команда регенерации может быть выдана в момент t1, но сама процедура регенерации может быть запущена вскоре после этого. В течение промежутка времени между выдачей команды регенерации и запуском процедуры регенерации ТЧ отработавших газов не могут быть уловлены ДСФ, но могут быть обнаружены датчиком ТЧ, расположенным ниже по потоку. Однако после запуска процедуры регенерации ДСФ рост уровня сажи на ДСФ может прекратиться. Таким образом, увеличение уровня сажи на датчике ТЧ, расположенном ниже по потоку, при уровне сажи на ДСФ, превышающем порог регенерации, может быть установлено отсутствие износа ДСФ, и выдача диагностического сообщения может не быть произведена. По завершении регенерации ДСФ эффективность уловления частиц, содержащихся в отработавших газах, может быть повышена, и уровень сажи на ДСФ может возобновить рост аналогично линии 908. Таким образом, может быть обеспечена возможность контроля работоспособности ДСФ.
По прошествии некоторого времени, в течение которого сажевый датчик и ДСФ продолжают работать в нормальном рабочем режиме, например, до момента t3, происходит рост уровня сажи на ДСФ, определяемого по выходным данным датчика давления, расположенного выше ДСФ по потоку. В момент t4, хотя ДСФ, возможно, еще не достиг порога регенерации, может произойти рост уровня сажи на датчике ТЧ, обозначенный кривой 910. Он свидетельствует о наличии ТЧ, обнаруживаемых датчиком ТЧ, расположенным ниже ДСФ по потоку. Такой рост числа частиц сажи, обнаруживаемых датчиком ТЧ, может свидетельствовать о наличии течи ДСФ. Таким образом, в случае роста уровня сажи на датчике ТЧ, расположенном ниже по потоку, при сохранении уровня сажи на ДСФ ниже порога регенерации может быть констатирован износ ДСФ и может быть выдано соответствующее диагностическое сообщение. Например, может быть включен световой индикатор неисправности (Malfunction Indicator Lamp, MIL), предупреждающий о необходимости замены ДСФ. Благодаря повышенной чувствительности блока датчиков ТЧ по настоящему изобретению может быть обеспечена возможность своевременного обнаружения течей ДСФ, что уменьшает вероятность эксплуатации двигателя с течью в сажевом фильтре и, следовательно, снижает выброс твердых частиц с отработавшими газами.
Фиг. 10 иллюстрирует пример связи между регенерацией датчиков ТЧ и регенерацией ДСФ в случае расположения датчика ТЧ выше ДСФ по потоку. В данной конфигурации уровень сажи на датчике ТЧ может быть использован для определения уровня сажи на ДСФ. На верхнем графике иллюстрации 1000 фиг. 10, представлен сравнительный график количества сажи, осаждаемой на единственном датчике ТЧ (например, описанном выше в варианте осуществления по иллюстрации 400) и одном из датчиков ТЧ блоков датчиков ТЧ, описанных выше со ссылками на иллюстрации 425 и 450 по фиг. 4. Штриховая кривая 1006 может обозначать количество сажи, осаждаемой на единственном датчике ТЧ с парой перемежающихся электродов, описанном в варианте осуществления по иллюстрации 400 и называемом в описании фиг. 8 датчиком ТЧ Y. Кривая 804 обозначает суммарное количество ТЧ, обнаруженных датчиком 212A ТЧ или датчиком 212B ТЧ блока датчиков ТЧ, описанного выше со ссылками на иллюстрацию 300, или датчиком 212A ТЧ, описанным выше со ссылками на иллюстрацию 350, и называемым в описании фиг. 10 датчиком ТЧ X. Горизонтальная линия 802 обозначает порог регенерации датчиков ТЧ. По оси X отложено время, причем время возрастает на графике слева направо. По оси Y графика 1000 отложено количество осажденной сажи, причем наименьшее количество соответствует нижнему краю графика, а по мере приближения к верху графика это значение возрастает.
На втором сверху графике по фиг. 10 отложено электрическое сопротивление датчиков ТЧ X и Y. Как было описано выше, электрическое сопротивление сажевого датчика может падать с увеличением уровня сажи на датчике ТЧ и возрастать с уменьшением уровня сажи. Наиболее низкое значение электрического сопротивления соответствует нижнему краю графика, причем его значение возрастает в направлении, отмеченном стрелкой на оси Y. По оси X отложено время, причем время возрастает на графике слева направо. Горизонтальная линия 1016 обозначает пороговое сопротивление чистого датчика ТЧ, R_clean. Горизонтальная линия 1018 обозначает пороговое сопротивление регенерации датчика ТЧ, R_regen. При достижении уровня R_regen необходимо проведение регенерации датчика ТЧ. Предполагается, что данные значения одинаковы для датчика ТЧ X и датчика ТЧ Y. Сплошные линии 1008 обозначают изменения сопротивления датчика ТЧ X, а штриховые линии 1010 соответствуют изменению сопротивления датчика ТЧ Y.
На третьем сверху графике по фиг. 10 отложен уровень сажи на ДСФ, расположенном выше/ниже датчиков ТЧ X и Y по потоку. Начальный момент времени соответствует левому краю графика, причем время возрастает на графике слева направо. Наименьшее значение уровня сажи на ДСФ соответствует нижнему краю графика, причем его значение возрастает в направлении, отмеченном стрелкой на оси Y. Горизонтальная линия 1024 обозначает на третьем графике верхний порог уровня сажи на ДСФ, а горизонтальная линия 1026 - нижний порог уровня сажи на ДСФ. Сплошные линии 1012 могут обозначать предполагаемый уровень сажи на ДСФ, определенный по данным датчика ТЧ X и обозначенный DPF_X, а штриховые линии 1012 могут соответствовать предполагаемому уровню сажи на ДСФ, определенному по данным датчика ТЧ Y и обозначенному DPF_Y.
В момент t0 датчики ТЧ X и Y по существу чисты, так как их сопротивление имеет высокое значение R_clean, соответствующее низкому уровню сажи. Датчик ТЧ Y, описанный со ссылками на иллюстрацию 400 и содержащий одну пару перемежающихся электродов, может обладать более низкой чувствительностью в связи с меньшим электростатическим притяжением заряженных ТЧ на удалении от поверхности датчика ТЧ Y. Измеренное сопротивление датчика ТЧ Y может быть представлено линией 1008, а уровень сажи на датчике ТЧ Y может быть представлен кривой 1006. Как было подробно описано выше со ссылками на фиг. 4, наличие дополнительного электрического поля, создаваемого в вариантах осуществления по иллюстрациям 425 и 450, чувствительность датчика ТЧ X может быть существенно выше, чем у датчика ТЧ Y. Поскольку датчики с дополнительным электрическим полем имеют повышенную чувствительность, количество сажи, обнаруженной датчиком ТЧ X, может превышать количество сажи, обнаруженной датчиком ТЧ Y, что и видно из сравнения кривых 1004 и 1006. Кривая 1004 датчика ТЧ X может достигать порога 1002 уровня ТЧ быстрее, чем кривая 1006 датчика ТЧ Y. По мере увеличения уровня сажи на датчике ТЧ его сопротивление может падать. С течением времени происходит накапливание золы, приводящее к соответствующему уменьшению сопротивления. Вследствие повышенной чувствительности блока датчиков сопротивление датчика ТЧ X, обозначенное линией 1008, может спадать с большей скоростью, чем сопротивление датчика ТЧ Y, обозначенное линией 1010, как было описано выше со ссылками на иллюстрацию 400. Наклон линии 1008, соответствующей скорости изменения сопротивления датчика ТЧ X с течением времени (dR_X/dt), может быть больше, чем наклон линии 1010, который может соответствовать скорости изменения сопротивления датчика ТЧ Y с течением времени (dR_Y/dt).
В момент t1 электрическое сопротивление датчика ТЧ X может достичь порога 1018 регенерации (R_regen), и может быть желательна регенерация датчика ТЧ X. Между моментами t1 и t2 датчик ТЧ X может быть регенерирован. В момент t3 электрическое сопротивление датчика ТЧ Y достигает порога 1018 регенерации (R_regen), и может быть желательна регенерация датчика ТЧ Y. Между моментами t3 и t4 датчик ТЧ Y может быть регенерирован. Важно отметить, что вследствие повышенной чувствительности датчика ТЧ X по сравнению с датчиком ТЧ Y время t1 достижения порога регенерации датчиком ТЧ X может быть короче времени t3 достижения порога регенерации датчиком ТЧ Y. На это также указывают углы наклона линий 1008 и 1010. Процессор, соединенный с датчиком ТЧ, может быть запрограммирован на передачу сигнала схеме регенерации при получении данных об уровне сажи. Значения DPF_X и DPF_Y могут быть скорректированы соответствующим образом, как описано на этапе 728 блок-схемы по фиг. 7. Уровни сажи DPF_X и DPF_Y продолжают возрастать в течение нескольких циклов накопления сажи на датчиках ТЧ X и Y и их регенерации. Таким образом, регенерацию датчиков производят чаще, чем регенерацию сажевого фильтра. Из этого может следовать, что датчик ТЧ X регенерируют чаще, чем ДСФ, и определение уровня сажи может быть основано на частоте повторной регенерации датчика ТЧ X и/или на длительности промежутков между процедурами регенерации датчика ТЧ X.
После нескольких регенераций сажевых датчиков уровень сажи, накопленной на фильтре DPF_X, может достичь порогового уровня 1024, R_DPF. Это может указывать на необходимость регенерации фильтра DPF_X, например, путем повышения температуры фильтра для сжигания накопленных твердых частиц. Контроллер может быть запрограммирован на проведение регенерации ДСФ по достижении порогового числа регенераций сажевого датчика. Кроме того, контроллер может регистрировать длительность временных промежутков между последовательными регенерациями сажевого датчика для диагностики состояния ДСФ. Однако в связи с пониженной чувствительностью датчика ТЧ Y линия DPF_Y может менее точно отражать уровень сажи на фильтре, в результате чего регенерация такого фильтра может производиться позднее оптимального времени его регенерации, что может приводить к раннему износу фильтра DPF_Y.
В соответствии с одним из примеров осуществления двигателя фильтр твердых частиц, содержащихся в отработавших газах, может быть регенерирован в соответствии с разностью потенциалов между электродами первой пары плоских перемежающихся электродов, причем первая пара плоских перемежающихся электродов может быть расположена параллельно второму плоскому элементу, причем на втором плоском элементе поддерживают напряжение, смещенное относительно напряжения по меньшей мере одного из электродов первой пары, причем первая основная поверхность первой плоской пары и вторая основная поверхность второго плоского элемента расположены одна напротив другой так, что положение центра первой основной поверхности соответствует положению центра второй основной поверхности. Регенерация включает в себя запуск регенерации фильтра твердых частиц, содержащихся в отработавших газах, в случае падения разности потенциалов ниже нижнего порога и завершение регенерации фильтра твердых частиц, содержащихся в отработавших газах, при превышении разностью потенциалов верхнего порога. Способ регенерации может включать в себя многократную регенерацию первой пары электродов для отображения уровня сажи в зависимости от разности потенциалов. Отображение уровня сажи может быть основано на частоте многократной регенерации и/или на длительности временных промежутков между операциями регенерации пары электродов. Второй плоский элемент может представлять собой вторую пару плоских перемежающихся электродов или проводящую пластину, причем поддержание на втором плоском элементе смещенного напряжения включает в себя подачу тока для поддержания на втором плоском элементе напряжения, более положительного, чем положительное напряжение первого электрода первой пары, или более отрицательного, чем отрицательное напряжение второго электрода второй пары.
В соответствии с другим примером осуществления система датчиков твердых частиц может содержать первый источник напряжения, вырабатывающий первое напряжение, и первую пару плоских перемежающихся электродов, в которую входят первый электрод и второй электрод, причем первый электрод электрически соединен с положительным терминалом первого источника напряжения, а второй электрод электрически соединен с отрицательным терминалом первого источника напряжения. Система датчиков твердых частиц может дополнительно содержать второй источник напряжения, вырабатывающий второе напряжение, большее первого напряжения, и второй плоский элемент, параллельный первой паре плоских перемежающихся электродов и электрически соединенный со вторым источником напряжения. Второй плоский элемент представляет собой вторую пару плоских перемежающихся электродов, в которую входят первый электрод и второй электрод, причем первый электрод электрически соединен с положительным терминалом второго источника напряжения, а второй электрод электрически соединен с отрицательным терминалом второго источника напряжения так, что положительное напряжение на первом электроде второго плоского элемента более положительно, чем положительное напряжение на первом электроде первого плоского элемента, и/или отрицательное напряжение на втором электроде второго плоского элемента более отрицательно, чем отрицательное напряжение на втором электроде первого плоского элемента.
Таким образом, использование в составе блока датчиков ТЧ двух пар плоских перемежающихся электродов или одной пары плоских перемежающихся электродов и проводящей пластины позволяет оптимизировать технический эффект поддержания на второй паре плоских перемежающихся электродов или проводящей пластине напряжения, смещенного относительно напряжения первой пары плоских перемежающихся электродов. Может быть обеспечена возможность более точного измерения содержания золы в отработавших газах и, следовательно, уровня золы на ДСФ. Кроме того, может быть повышена точность выявления течей ТЧ, содержащихся в отработавших газах, в результате износа ДСФ. Таким образом, обеспечена возможность повышения точности и достоверности диагностики ДСФ, а также эффективности использования регенерации фильтра. Кроме того, уменьшена потребность в использовании сложных алгоритмов для обработки выходных данных датчиков ТЧ. В целом, обеспечена возможность повышения соответствия нормативным требованиям по содержанию выбросов в отработавших газах.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ, описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, причем раскрытые действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.