СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ
METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING SOLID PARTICLES IN SPENT GASES

Область техники
Настоящее описание в целом относится к конструкции и применению резистивных датчиков твердых частиц ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов.
Уровень техники и раскрытие изобретения
При сгорании дизельного топлива возможно образование выбросов, содержащих твердые частицы (ТЧ). Твердые частицы (ТЧ) могут представлять собой дизельную сажу и аэрозоли, например, частицы золы, частицы абразивного износа металлов, сульфаты и силикаты. При выбросе в атмосферу, ТЧ могут принимать форму отдельных частиц либо цепочек, размеры большей части которых лежат в невидимом субмикронном диапазоне 100 нанометров. Разработан ряд технологий для выявления и отфильтровывания ТЧ в отработавших газах до сброса последних в атмосферу.
Например, в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания можно применять датчики ТЧ или сажи. Датчик ТЧ может быть расположен выше и (или) ниже по потоку от фильтра твердых частиц дизельного двигателя ФТЧДД (DPF) с возможностью использования для определения скопления ТЧ в фильтре и диагностики работы ФТЧДД. Резистивные датчики ТЧ обычно содержат плоские гребенчатые электроды, обнаруживающие скопление ТЧ или сажи на основании корреляции результата измерения изменения электрической проводимости между парой электродов и количества отложений ТЧ между измерительными электродами. А именно, гребенчатые электроды сформированы на общей подложке, а результат измерения проводимости служит показателем скопления сажи. Электростатические поля между плоскими электродами сильнее вблизи поверхности электродов и направлены по касательной к поверхности электрода. Кроме того, на больших расстояниях от поверхности электродов происходит быстрое затухание электростатических полей. В результате, электростатические силы, действующие на частицы сажи, протекающие вблизи поверхности электродов, достаточны для их улавливания на поверхность электродов, при этом другие частицы сажи могут ускользать. Это может привести к плохому улавливанию и распределению сажи. Кроме того, из-за плоской геометрической формы электродов датчика сажа может скапливаться только на одной поверхности (например, на поверхности, содержащей указанные электроды). Как следствие, большая часть сажи в потоке отработавших газов может не быть обнаружена, что ведет к снижению чувствительности датчика.
Один пример конструкции датчика ТЧ раскрыт Хайманном (Heimann) с соавторами в WO 2006027287. В ней гребенчатые электроды радиально распределены по цилиндрической поверхности, что увеличивает площадь поглощения сажи, а также повышает чувствительность датчика.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки такого решения. Способность гребенчатых электродов, сформированных на цилиндрической поверхности, раскрытых Хайнманном с соавторами, улавливать сажу может оставаться относительно низкой из-за слабого электростатического притяжения, действующего на частицы сажи, находящиеся вдали от поверхности датчика. В частности, даже в случае цилиндрической поверхности, электростатическое поле, возникающее между электродами, все также направлено по касательной к поверхности датчика. Как следствие, электростатическое притяжение, действующее на частицы сажи, может быть тем сильнее, чем ближе к поверхности датчика они находятся, при этом датчик все так же может не обнаруживать остальные частицы сажи. Кроме того, на показания датчика может отрицательно влиять присутствие загрязнителей и (или) водяных капель, ударяющихся о поверхность датчика.
Авторы настоящего изобретения определили решение, позволяющее как минимум частично преодолеть эти недостатки, одновременно повысив чувствительность датчика ТЧ. В одном примере решения достоверность обнаружения ТЧ позволяет повысить датчик твердых частиц, содержащий наружную неперфорированную трубку с множеством отрицательных электродов на протяжении внутренней поверхности, центральный перфорированный элемент с множеством положительных электродов на протяжении наружной поверхности указанного центрального элемента, при этом указанный центральный элемент расположен внутри указанной наружной трубки, и внутреннюю трубку, присоединенную к центральному элементу, при этом наружная трубка, центральный элемент и внутренняя трубка имеют общую ось. Таким образом, формирование положительных и отрицательных электродов на разных поверхностях, разделенных зазором, обеспечивает возможность образования электростатических полей, перпендикулярных каждой из поверхностей и более однородных, в зазоре между поверхностями электродов. Таким образом, распределение и скопление сажи на электродах датчика может стать более равномерным.
В одном примере датчик ТЧ в отработавших газах может быть выполнен с электродами датчика и может быть расположен ниже по потоку от фильтра твердых частиц в выпускной трубе. Датчик ТЧ может содержать наружную цилиндрическую защитную трубку и внутреннюю направляющую трубку. Наружная трубка выполнена с возможностью защиты электродов датчика, а направляющая трубка - с возможностью направления отработавших газов к электродам датчика, расположенным внутри наружной трубки. Направляющая трубка может содержать относительно небольшую внутреннюю цилиндрическую неперфорированную трубку, соединенную с относительно большим полым центральным элементом. Внутренняя трубка выполнена с возможностью дополнительно улавливать крупные частицы и капли воды в потоке отработавших газов на входе внутренней трубки, предотвращая, тем самым, их ударение об электроды датчика. Центральный элемент может содержать множество отверстий с возможностью выхода через них отработавших газов из внутренней трубки в зазор, образованный между центральным элементом и наружной трубкой. В одном примере центральный элемент может представлять собой продолжение внутренней трубки, проходящее в направлении центра наружной трубки, и может быть расположен по центру внутри наружной трубки.
Электроды датчика могут включать в себя множество положительных электродов и множество отрицательных электродов, сформированное на разных поверхностях центрального элемента и наружной трубки, и могут быть отделены друг от друга указанным зазором. А именно, отрицательные электроды могут быть сформированы на внутренней поверхности наружной трубки, а положительные электроды - на наружной поверхности центрального элемента. Отработавшие газы, поступающие в датчик ТЧ через вход, могут быть направлены к перфорированному центральному элементу. Затем отработавшие газы могут течь через отверстия центрального элемента в зазор, разделяющий электроды датчика. Благодаря тому, что множество положительных электродов отделено от множества отрицательных электродов, на частицы сажи в отработавших газах может воздействовать однородное электрическое поле в указанном зазоре. В результате, возможно равномерное накопление частиц в зазоре, образованном между электродами датчика. Когда в зазоре скопится достаточное количество сажи, может быть запущена регенерация датчика.
Таким образом, расположение положительных и отрицательных электродов датчика ТЧ на поверхностях разных элементов блока датчика и разделение положительных и отрицательных электродов зазором обеспечивает возможность образования от края до края зазора электростатического поля, перпендикулярного поверхностям электродов. Технический эффект, достигаемый разделением электродов и созданием электростатических полей, расположенных перпендикулярно в зазоре между электродами, состоит в возможности создания в зазоре более однородного электростатического поля. В результате, возможно более равномерное распределение сажи из потока отработавших газов по всей поверхности электродов. Кроме того, при образовании электростатических полей от края до края зазора не происходит ослабление электростатического поля в зазоре между электродами датчика, благодаря чему на все частицы сажи в зазоре воздействует по существу одинаковое электростатическое поле. В целом, данные характеристики блока датчика позволяют повысить точность и надежность датчика ТЧ. Это повышает достоверность оценки скопления твердых частиц в фильтре твердых частиц. Кроме того, можно сократить колебания чувствительности датчика ТЧ из-за ударного воздействия крупных частиц на электроды датчика. Возможность более достоверной диагностики ФТЧДД в выпускной системе позволяет улучшить соблюдение нормативов выбросов отработавших газов.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». 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 фигур чертежа
На ФИГ. 1 схематически изображен двигатель и относящийся к нему датчик твердых частиц (ТЧ), расположенный в потоке отработавших газов.
На ФИГ. 2 изображена принципиальная схема датчика ТЧ.
На ФИГ. 3А-3С изображены виды в поперечном разрезе наружной трубки, перфорированного участка и неперфорированного участка направляющей трубки датчика ТЧ.
На ФИГ. 4 изображена принципиальная схема датчика ТЧ с указанием потока отработавших газов в направляющую трубку и из наружной трубки датчика ТЧ.
На ФИГ. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ для накопления твердых частиц из потока отработавших газов на электродах датчика, разделенных зазором внутри датчика ТЧ.
ФИГ. 6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример способа для регенерации электродов датчика ТЧ.
На ФИГ. 7 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример способа для диагностики течей в фильтре твердых частиц, расположенном выше по потоку от датчика ТЧ.
На ФИГ. 8 представлен пример зависимости между скоплением сажи на датчике ТЧ и скоплением сажи в фильтре твердых частиц, расположенном выше по потоку от датчика ТЧ.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для измерения количества твердых частиц, накопленных в фильтре твердых частиц выпускной системы двигателя, например, в системе транспортного средства на ФИГ. 1. Цилиндрический датчик твердых частиц, выполненный с положительными и отрицательными электродами, распределенными на разных поверхностях разных элементов датчика и разделенными зазором (ФИГ. 2), может быть расположен ниже по потоку от фильтра твердых частиц отработавших газов. Отрицательные электроды могут быть сформированы на внутренней поверхности наружной, неперфорированной, трубки датчика ТЧ, а положительные электроды могут быть сформированы на наружной поверхности перфорированного участка направляющей трубки датчика ТЧ. То есть электроды сформированы на отдельных цилиндрических поверхностях, а также разделены зазором. Направляющая трубка может также содержать относительно небольшой неперфорированный участок, соединенный с перфорированным участком, при этом оба участка расположены соосно внутри наружной трубки. Виды в поперечном разрезе наружной трубки, перфорированного участка и неперфорированного участка направляющей трубки представлены на ФИГ. 3А-3С. Направляющая трубка и наружная трубка могут содержать входные и выходные отверстия, выполненные соответственно для направления отработавших газов внутрь датчика ТЧ и наружу из него, как показано на ФИГ. 4. Множество отверстий на направляющей трубке выполнены с возможностью направления отработавших газов в зазор между электродами, где содержащиеся в них твердые частицы можно улавливать и накапливать. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, например, алгоритма на ФИГ. 5, для накопления твердых частиц в зазоре между положительными и отрицательными электродами. Кроме того, контроллер может выполнять периодическую очистку датчика ТЧ (ФИГ. 6) для бесперебойного обнаружения ТЧ. Контроллер также может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма, например, алгоритма на ФИГ. 7, для регенерации фильтра твердых частиц отработавших газов в зависимости от времени между регенерациями датчика ТЧ. Пример диагностики фильтра представлен на ФИГ. 8. Так можно повысить чувствительность датчика ТЧ.
На ФИГ. 1 схематически изображена система 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства содержит систему 8 двигателя. Система 8 двигателя может содержать двигатель 10, содержащий множество цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впускную систему 23 двигателя и выпускную систему 25 двигателя. Впускная система 23 двигателя содержит дроссель 62, соединенный по текучей среде с впускным коллектором 44 по заборному каналу 42. Выпускная система 25 двигателя содержит выпускной коллектор 48, ведущий в выпускной канал 35, по которому отработавшие газы направляют в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен в заборном канале 42 ниже по потоку от устройства наддува, например, турбокомпрессора (не показан), и ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха (не показан). При наличии, охладитель наддувочного воздуха может быть выполнен с возможностью снижать температуру всасываемого воздуха, сжатого устройством наддува.
Выпускная система 25 двигателя может содержать одно или несколько устройств 70 снижения токсичности выбросов с возможностью установки в непосредственной близости друг от друга в выпускной системе. Одно или несколько устройств снижения токсичности выбросов могут представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, фильтр обедненных NOx, нейтрализатор избирательного каталитического восстановления и т.п. Выпускная система 25 двигателя также может содержать фильтр 102 твердых частиц дизельного двигателя (ФТЧДД), временно удаляющий ТЧ из поступающих газов, расположенный выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов. В одном примере, как изображено на фигуре, ФТЧДД 102 представляет собой систему улавливания твердых частиц дизельного двигателя. ФТЧДД 102 может иметь монолитную конструкцию из, например, кордиерита или карбида кремния, с множеством каналов внутри для удаления твердых частиц из отработавших газов дизельного двигателя. После прохождения через ФТЧДД 102, отработавшие газы, из которых были удалены ТЧ, могут поступать на датчик 106 ТЧ для измерения и далее на обработку в устройство 70 снижения токсичности выбросов, а затем - в атмосферу по выпускному каналу 35. В раскрытом примере датчик 106 ТЧ представляет собой резистивный датчик с возможностью оценки эффективность фильтрации в ФТЧДД 102 по изменению проводимости, измеренной на электродах датчика ТЧ. Схематический вид 200 датчика 106 ТЧ представлен на ФИГ. 2 и будет подробнее описан ниже.
Система 6 транспортного средства может также содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана получающей информацию от множества датчиков 16 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании) и направляющей управляющие сигналы множеству исполнительных устройств 81 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании). В одном примере в число датчиков 16 могут входить: расходомер 126 отработавших газов, выполненный с возможностью измерения расхода отработавших газов в выпускном канале 35, датчик отработавших газов (в выпускном коллекторе 48), датчик 128 температуры, датчик 129 давления (ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов) и датчик 106 ТЧ. Прочие датчики, например, дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения, расхода и состава отработавших газов могут быть установлены в различных местах системы 6 транспортного средства. В качестве другого примера, указанные исполнительные устройства могут представлять собой топливные форсунки 66, дроссель 62, клапаны ФТЧДД для управления регенерацией фильтра (не показаны), выключатель электрической цепи и т.п.Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер 12 может быть выполнен с машиночитаемыми командами в долговременной памяти. Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков на ФИГ. 1, обрабатывает их и задействует различные исполнительные устройства на ФИГ. 1 для регулирования работы двигателя в зависимости от полученных сигналов и в соответствии с командами в памяти контроллера. Например, во время регенерации датчика ТЧ контроллер может замкнуть выключатель в электрической цепи на пороговое время для подачи того или иного напряжения на нагревательные элементы, соединенные с датчиком ТЧ, для нагрева электродов датчика и выжигания частиц сажи, отложившихся на электродах датчика ТЧ. Алгоритмы раскрыты в настоящем описании на примерах ФИГ. 5-7.
Обратимся к ФИГ. 2, изображающей схематический вид 200 примера осуществления датчика 202 твердых частиц (ТЧ) (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1). Датчик 202 ТЧ может быть выполнен с возможностью измерения массы и (или) концентрации ТЧ в отработавших газах и может быть установлен в выпускном канале (например, выпускном канале 35 на ФИГ. 1), выше или ниже по потоку от фильтра твердых частиц дизельного двигателя (например, ФТЧДД 102 на ФИГ. 1).
На ФИГ. 2 представлены примеры конфигураций с относительным расположением различных компонентов. Если они показаны непосредственно соприкасающимися друг с другом или непосредственно соединенными, то такие элементы могут считаться непосредственно соприкасающимися или, в соответствующих случаях, непосредственно соединенными, как минимум в одном примере. Аналогичным образом, элементы, показанные смежными или прилегающими друг к другу, могут быть смежными или, в соответствующих случаях, прилегать друг к другу в как минимум одном примере. Например, компоненты, соприкасающиеся друг с другом лицевыми сторонами, могут рассматриваться как соприкасающиеся по общей лицевой стороне. В качестве другого примера, элементы, расположенные отдельно друг от друга, между которыми находится только какое-либо пространство, но не другие компоненты, могут описываться таким образом в как минимум одном примере.
На схематическом виде 200 датчик 202 ТЧ расположен внутри выпускного канала 204, ниже по потоку от фильтра твердых частиц дизельного двигателя. Отработавшие газы текут (по оси X) из области ниже по потоку от фильтра твердых частиц дизельного двигателя в направлении выхлопной трубы через датчик ТЧ, на что указывают стрелки 206. Датчик 202 ТЧ содержит наружную защитную трубку 212 и внутреннюю направляющую трубку 210. Наружная трубка 212 может представлять собой неперфорированную полую цилиндрическую трубку, а направляющая трубка 210 может быть расположена соосно внутри наружной трубки 212. А именно, наружная трубка 212 и направляющая трубка 210 могут иметь общую центральную ось Y-Y'. Направляющая трубка 210 может представлять собой внутреннюю полую трубку, расположенную внутри наружной трубки 212 и прикрепленную к наружной трубке 212 винтами (не показаны), расположенными на протяжении поверхности наружной трубки, например. В некоторых примерах наружная трубка 212 может также именоваться «первый цилиндрический элемент», а направляющая трубка 210 - «второй цилиндрический элемент». В данном случае второй цилиндрический элемент расположен соосно внутри первого цилиндрического элемента.
1
Наружная трубка 212 может представлять собой цилиндрическую трубку с диаметром D (стрелка 240) с возможностью установки в выпускном канале 204 с помощью бобышки датчика (не показана). Наружная трубка 212 может содержать вставные детали 253 на верхней поверхности 250 с возможностью ввода через них электрических соединений (например, 254, 258 и 222) в наружную трубку 212. Верхняя поверхность 250 наружной трубки 212 герметизирует трубку для защиты электродов датчика, расположенных внутри датчика 202 ТЧ. Наружная трубка 212 выполнена с возможностью монтажа в выпускном канале 204 таким образом, чтобы центральная ось Y-Y' наружной трубки 212 была расположена по оси Y. А именно, центральная ось Y-Y' наружной трубки 212 перпендикулярна направлению потока отработавших газов (стрелка 206) в выпускном канале 204.
Наружная трубка 212 проникает внутрь части выпускного канала 204. В данном случае, наружная трубка 212 проникает в выпускной канал 204 на длину (стрелка 238). Глубина, на которую наружная трубка проникает в выпускной канал, может зависеть от диаметра выпускного канала. В некоторых примерах глубина проникновения наружной трубки может достигать примерно от одной до двух третей диаметра выпускной трубы.
4
2
7
3
2
3
3
2
1
Внутренняя направляющая трубка 210 датчика 202 ТЧ расположена соосно внутри наружной трубки 212. Направляющая трубка 210 может содержать относительно большую перфорированную часть/участок 214, соединенную с относительно небольшой неперфорированной частью/участком 216. Перфорированная часть 214 (в настоящем описании также именуемая «центральный элемент») выполнена в виде полой цилиндрической трубки длины L (стрелка 232) и диаметра D (стрелка 244). Неперфорированная часть 216 (в настоящем описании также именуемая «внутренняя трубка») представляет собой полую цилиндрическую трубку длины L (стрелка 230) и диаметра D (стрелка 242). В данном случае диаметр D центрального элемента 214 может быть больше диаметра D внутренней трубки 216. То есть внутренняя трубка может быть меньше центрального элемента и наружной трубки (D<D<D, например).
В одном примере направляющая трубка 210 может быть изготовлена в виде цельной детали, содержащей относительно большую перфорированную часть и относительно небольшую неперфорированную часть с возможностью расположения данной цельной детали соосно внутри наружной трубки. Или же направляющая трубка может именоваться «внутренняя трубка», в том числе ее перфорированный и неперфорированный участки. В еще одном примере относительно небольшая неперфорированная часть и относительно большая перфорированная часть могут быть изготовлены по-отдельности и соединены друг с другом для образования направляющей трубки 210.
4
7
4
7
3
В раскрытом примере длина L центрального элемента 214 меньше длины L внутренней трубки 216. В других примерах длина L центрального элемента 214 может быть больше длины L внутренней трубки 216. В других примерах центральный элемент 214 и внутренняя трубка 216 могут быть по существу равной длины. При этом длины центрального элемента 214, внутренней трубки 216 и наружной трубки 212 можно выбирать таким образом, чтобы часть 274 внутренней трубки 216 проходила за нижнюю поверхность 251 наружной трубки 212 в выпускной канал 204. Кроме того, нижняя поверхность 251 наружной трубки может содержать вырез с возможностью прохождения через него части 274 внутренней трубки 216 в выпускной канал 204. Диаметр выреза может быть по существу равен диаметру Dвнутренней трубки 216. Кроме того, нижняя поверхность 251 может быть непроницаемой. То есть отработавшие газы не могут поступать в датчик 202 ТЧ через нижнюю поверхность 251 наружной трубки 212. При этом отработавшие газы могут поступать в датчик 202 ТЧ через вход 226, расположенный на внутренней трубке 216, и выходить через выходные отверстия (в настоящем описании также именуемые «выходные прорези») 228 на наружной трубке 212, как будет подробно раскрыто на примерах ФИГ. 3А-3С и 4.
3
Обратимся к ФИГ. 3С, изображающей вид 375 в поперечном разрезе датчика 202 ТЧ в плоскости по оси С-С на ФИГ. 2. В данном случае показан поперечный разрез внутренней трубки 216 датчика ТЧ, проходящей в выпускную трубу. Как раскрыто выше, внутренняя трубка 216 может представлять собой полую цилиндрическую трубку с диаметром D. Внутренняя трубка 216 может содержать вход 226, расположенный так, что часть отработавших газов поступает во внутреннюю трубку 216 через вход 226 в направлении, указанном стрелкой 208. А именно, направление потока отработавших газов во внутреннюю трубку 216 через вход 226 может быть противоположно направлению потока отработавших газов в выпускной трубе (указанному стрелкой 206). В одном примере вход 226 может быть выполнен в виде отверстия, вырезанного во внутренней трубке 216. Вход 226 может иметь другие геометрические формы без отступления от объема настоящего изобретения. В число примеров геометрических форм входят щели, прорези и т.п.
Вход 226 устроен на поверхности внутренней трубки 216, расположенной ближе к выхлопной трубе отработавших газов, и расположен дальше от фильтра твердых частиц, расположенного выше по потоку от датчика ТЧ, например. Между областями на входе 226 и вблизи него может возникать разность давлений, благодаря чему относительно большая часть отработавших газов может поступать во внутреннюю трубку 216.
7
Отработавшие газы, поступающие во внутреннюю трубку 216, может вмещать в себя участок 376 внутренней трубки. Затем отработавшие газы проходят по длине внутренней трубки 216 к центральному элементу 214 (ФИГ. 2), например. Как указано в описании ФИГ. 2, нижняя поверхность внутренней трубки 216 может быть непроницаемой. То есть отработавшие газы могут поступать в датчик 202 ТЧ через вход 226 на внутренней трубке 216, но не через нижнюю поверхность внутренней или наружной трубки, например. Отработавшие газы, поступающие в датчик ТЧ через вход 226, проходят расстояние, соответствующее длине внутренней трубки (например, расстояние, равное L, внутри внутренней трубки 216), а затем текут в центральный элемент 214.
4
Как раскрыто выше, центральный элемент 214 может представлять собой полый цилиндр длины L (стрелка 232), расположенный внутри наружной трубки 212 так, что центральная ось центрального элемента 214 совпадает с центральной осью наружной трубки 212 и внутренней трубки 216. А именно, центральная ось центрального элемента 214 совпадает с центральной осью Y-Y' наружной трубки 212. Центральный элемент 214 может быть соединен с внутренней трубкой 216. Центральный элемент 214 может быть соединен с концом внутренней трубки 216, расположенным дальше от входа 226 и ближе к верхней поверхности 250 наружной трубки 212, например. Полый центральный элемент 214 может также содержать множество отверстий 224, распределенных на протяжении поверхности. Кроме того, множество отверстий на центральном элементе 214 проходит через центральный элемент по всей его толщине. В одном примере множество отверстий 224 может представлять собой отверстия круглой формы, расположенные с равными интервалами на протяжении поверхности центрального элемента 214. Отверстия могут проходить от наружной поверхности 268 и внутренней поверхности центрального элемента 214. Возможны различные геометрические параметры и интервалы между отверстиями, включая, помимо прочих, такие геометрические формы, как цилиндрическая, сферическая, V-образная и т.п.Отработавшие газы, поступающие в датчик ТЧ через вход 226 на внутренней трубке, могут течь к центральному элементу 214 и выходить из центрального элемента через отверстия 224. В одном примере верхняя поверхность центрального элемента может быть непроницаемой для блокирования утечки отработавших газов через верх датчика ТЧ. То есть отработавшие газы могут покидать центральный элемент только через указанные отверстия.
1
2
Диаметр центрального элемента 214 меньше, чем у наружной трубки 212, поэтому, при размещении внутри наружной трубки 212, центральный элемент 214 отделен от наружной трубки 212 зазором. Таким образом, величина зазора может зависеть от разности диаметров наружной трубки 212 и центрального элемента 214 (D-D, например).
Отработавшие газы, выходящие из центрального элемента 214 через отверстия 224, могут поступать в пространство/зазор между центральным элементом 214 и наружной трубкой 212. В этом случае отработавшие газы могут попадать на электроды датчика, сформированные на поверхностях наружной трубки и центрального элемента. Геометрические параметры и расположение электродов датчика будут подробно раскрыты ниже.
Традиционные датчики ТЧ содержат гребенчатые электроды, сформированные на общей плоской подложке, расположенной внутри наружной защитной трубки. Наружная трубка датчика ТЧ обычно служит для защиты электродов датчика, расположенных внутри нее. Поскольку электроды датчика образуют встречно-гребенчатую структуру на подложке, электростатические поля, возникающие между электродами датчика, расположены вдоль плоской поверхности и ограничены областями, расположенными относительно близко к поверхности электродов. В результате, твердые частицы, протекающие вблизи поверхности электродов, могут испытывать электростатическое притяжение и оседать на поверхности электродов. При этом твердые частицы, протекающие на относительно большом расстоянии от поверхности электродов, могут испытывать слабое электростатическое притяжение, не скапливаться на поверхности электродов и утекать в атмосферу, не будучи обнаруженными.
Авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что формирование электродов на разных поверхностях разных элементов датчика (или разных структур датчика) обеспечивает возможность образования более сильных и однородных электрических полей между электродами датчика без включения в состав датчика ТЧ дополнительных компонентов. Например, внутренняя поверхность 246 наружной трубки 212 может содержать множество электродов 218. Аналогичным образом, наружная поверхность 268 центрального элемента 214 может содержать множество электродов 220. Множества электродов 218 и 220 могут быть распределены таким образом, чтобы электроды были обращены друг к другу и дополнительно отделены друг от друга зазором. В данном случае зазор может не содержать каких-либо компонентов. Подключение электродов к положительным и отрицательным клеммам источника напряжения обеспечивает возможность создания однородного электростатического поля в зазоре между электродами.
Отработавшие газы, выходящие из центрального элемента 214 через множество отверстий 224, могут поступать в зазор между наружной трубкой 212 и центральным элементом 214. Наличие электродов, расположенных от края до края зазора, обеспечивает возможность улавливания твердых частиц из потока отработавших газов на электродах и в зазоре между электродами однородным электрическим полем, возникающим в зазоре, например. В этом случае твердые частицы скапливаются в зазоре между электродами, образуя мостики сажи.
А именно, множество электродов 218 может быть соединено с отрицательной клеммой источника напряжения, в связи с чем также может именоваться «множество отрицательных электродов 218». Аналогичным образом, множество электродов 220 может быть соединено с положительной клеммой источника напряжения и именоваться «множество положительных электродов 220». В некоторых вариантах осуществления полярность электродов 218 и 220 можно взаимно изменять. Электроды обычно изготавливают из таких металлов, как платина, золото, осмий, родий, иридий, рутений, алюминий, титан, цирконий и т.п., а также из оксидов, цементных веществ, сплавов и комбинаций вышеперечисленного, содержащих как минимум один из вышеуказанных металлов.
В одном примере наружная трубка 212 и центральный элемент 214 могут быть изготовлены из материалов с высокими электроизоляционными свойствами. Примерами электроизоляционных материалов могут служить оксиды таких металлов, как алюминий, цирконий, иттрий, лантан, кремний, а также комбинации, содержащие как минимум один из вышеуказанных материалов, и любые аналогичные материалы, способные подавлять электрическую связь. Множество отрицательных электродов 218 и множество положительных электродов 220 могут быть сформированы непосредственно на внутренней поверхности наружной трубки 212 и наружной поверхности центрального элемента 214 соответственно.
Рассмотрим отдельно множество отрицательных электродов 218: множество отрицательных электродов 218 сформировано непосредственно на внутренней поверхности 246 наружной трубки 212, в связи с чем может соприкасаться по общей лицевой стороне с внутренней поверхностью 246 наружной трубки 212. Множество отрицательных электродов 218 может содержать первую часть 252 и вторую часть 256, обе сформированные на протяжении внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. В данном случае, первая часть 252 представляет собой неразветвленный участок, а вторая часть 256 содержит множество «зубьев», отходящих в нескольких местах на протяжении первой части 252. Электрический провод 254 может соединять первую часть 252 и вторую часть 256 с отрицательной клеммой источника напряжения, расположенного за пределами наружной трубки 212. Часть электрического провода 254 может быть расположена внутри наружной трубки 212, а остальная часть - за пределами выпускного канала 204 (в одном примере - на расстоянии < 1 метра от него), и может быть электрически соединена с источником напряжения и измерительным устройством, которое будет раскрыто ниже на примере ФИГ. 3А.
2
2
1
2
1
3
1
1
Начало второй части 256 отрицательного электрода 218 может отстоять на длину L(стрелка 234) от верхней поверхности 250 наружной трубки 212. Длину L можно определять в зависимости от длины L наружной трубки 212 внутри выпускного канала 204. В одном примере длина L может составлять одну треть длины L. Вторая часть 256 может содержать множество зубьев, при этом зубья длиной L (стрелка 260) сформированы с первым шагом (W) на протяжении внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. Шаг W может, как правило, лежать в диапазоне от 10 микрометров до 100 микрометров, при этом ширина линии каждого отдельного электрода имеет приблизительно то же значение, хотя последнее и не обязательно. Вторая часть 256 может быть равноудалена от оси Y и по существу параллельна ей. Иначе говоря, множество зубьев второй части 256 могут быть перпендикулярны направлению потока отработавших газов (стрелка 206) в выпускном канале 204.
2
2
3
2
1
1
1
3
Первая часть 252 отрицательного электрода 218 может быть сформирована по внутренней окружности наружной трубки. Начало первой части 252 может отстоять на длину L (стрелка 234) от верхней поверхности 250 наружной трубки 212, при этом первая часть может быть сформирована на протяжении внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. Первая часть 252 может содержать изгиб, который может быть по существу равен изгибу наружной трубки 212. А именно, длина первой части 252 может быть по существу равна внутренней окружности наружной трубки 212. Кроме того, множество зубьев второй части 256 могут быть электрически соединены с первой частью 252. Например, начало первого зуба (в настоящем описании также именуемого «первый из множества отрицательных электродов») может в нисходящем направлении отстоять на длину L от верхней поверхности 250 наружной трубки 212, например, быть расположено в месте х. В месте x первый отрицательный электрод электрически соединен с первой частью 252. Кроме того, первый отрицательный электрод проходит на длину L. Начало второго зуба, в настоящем описании также именуемого «второй из множества отрицательных электродов 218», также может отстоять в нисходящем направлении на длину L от верхней поверхности 250 наружной трубки 212 и может быть расположено в месте (x+W), при этом W, - это первый шаг между зубьями множества отрицательных электродов 218. В месте (x+W) второй отрицательный электрод второй части 256 электрически соединен с первой частью 252. Кроме того, второй отрицательный электрод второй части 256 проходит на длину L, которая равна длине, на которую проходит первый отрицательный электрод, например. Аналогичным образом сформированы следующие зубья или отрицательные электроды множества отрицательных электродов 218 на внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. Электрический провод 254 соединяет первую часть 252 и вторую часть 256 с отрицательной клеммой источника напряжения, расположенного за пределами наружной трубки 212, с возможностью подачи отрицательного напряжения на каждый из зубьев/электродов множества отрицательных электродов 218. Следует отметить, что наружная трубка 212 может не содержать никаких отверстий, в частности, на участках, где сформировано множество отрицательных электродов 218. То есть множество отрицательных электродов 218 может быть сформировано на неперфорированной цилиндрической поверхности.
Центральный элемент 214 датчика 202 ТЧ может содержать множество электродов 220, сформированных на наружной поверхности 268 центрального элемента 214. Множество электродов 220, сформированное на наружной поверхности 268 центрального элемента 214, может быть подключено к положительной клемме источника напряжения и далее именоваться «множество положительных электродов 220». Множество положительных электродов 220 может быть сформировано непосредственно на наружной поверхности 268 центрального элемента 214 и, соответственно, соприкасаться по общей лицевой стороне с наружной поверхностью 268 центрального элемента 214. Множество положительных электродов 220 может содержать третью неразветвленную часть 264 и четвертую разветвленную часть (или зубья) 266, обе сформированные на протяжении наружной поверхности 268 центрального элемента 214 и расположенные внутри наружной трубки 212. Несмотря на то, что речь идет о «третьей части» 264 и «четвертой части» 266, следует понимать, что третья часть 264 - это первая неразветвленная часть множества положительных электродов 220, а четвертая часть 266 - это вторая разветвленная часть множества положительных электродов 220. Электрический провод 258 может соединять третью часть 264 и четвертую часть 266 с положительной клеммой источника напряжения, расположенного за пределами наружной трубки 212. Одна часть электрического провода 258 может быть расположена внутри наружной трубки 212, а остальная часть может быть расположена за пределами выпускного канала 204 (в одном примере - на расстоянии < 1 метра от него), и электрически соединена с источником напряжения и измерительным устройством, которое будет раскрыто ниже на примере ФИГ. 3А.
5
5
2
Четвертая часть 266 множества положительных электродов 220 может отстоять на длину L (стрелка 270) от верхней поверхности 250 наружной трубки 212. В одном примере длина L, на которую отстоит начало четвертой части 266 положительного электрода 220, может быть по существу равна длине L, на которую отстоит начало второй части 256 множества отрицательных электродов 218 внутри наружной трубки 212. То есть множество положительных электродов 220, сформированное на наружной поверхности центрального элемента 214, может иметь ту же высоту, что и множество отрицательных электродов 218, сформированное на внутренней поверхности наружной трубки 212.
6
\2
2
2
1
2
1
2
Четвертая часть 266 может содержать множество зубьев, при этом зубья длины L (стрелка 272) сформированы со вторым шагом (W) на протяжении наружной поверхности 268 центрального элемента 214. Второй шаг W может, как правило, лежать в диапазоне от 10 микрометров до 100 микрометров, при этом ширина линии каждого отдельного электрода имеет приблизительно то же значение, хотя последнее и не обязательно. В одном примере второй шаг W может быть по существу равен первому шагу W. В еще одном примере второй шаг W может быть отличен от первого шага W. В некоторых примерах второй шаг W можно корректировать в зависимости от изгиба центрального элемента 214 и первого шага W1 так, чтобы множество положительных электродов 220 было обращено к множеству отрицательных электродов 218. То есть тот или иной зуб или положительный электрод множества положительных электродов 220, распределенного на протяжении внутренней поверхности 246 наружной трубки 212, может быть обращен к зубу или отрицательному электроду множества отрицательных электродов 218, распределенного на протяжении наружной поверхности 268 центрального элемента 214.
Четвертая часть 266 множества положительных электродов 220 может быть равноудалена от второй части 256 множества отрицательных электродов 218 и по существу параллельна ей, а также параллельна центральной оси трубок Y-Y'. Иначе говоря, вторая часть 266 множества положительных электродов 220 может быть перпендикулярна направлению потока отработавших газов (стрелка 206) в выпускном канале 204.
Третья часть 264 множества положительных электродов 220 может быть сформирована по наружной окружности центрального элемента 214 в направлении, параллельном направлению потока отработавших газов (стрелка 206) в выпускном канале 204. Третья часть 264 может быть параллельна первой части 252 множества отрицательных электродов 218.
5
5
2
1
6
6
3
6
3
Третья часть 264 может быть сформирована на расстоянии длины L (стрелка 270) от верхней поверхности 250 наружной трубки 212. Третья часть 264 может содержать изгиб, при этом данный изгиб может быть по существу равен изгибу центрального элемента 214. А именно, длина третьей части 264 может быть по существу равна наружной окружности центрального элемента 214. Кроме того, четвертая часть 266 может быть электрически соединена с третьей частью 264. Например, начало первого зуба или первого из множества положительных электродов может отстоять в нисходящем направлении на длину L от верхней поверхности 250 наружной трубки 212, то есть быть расположено в месте y. Первый положительный электрод в месте у может быть обращен к первому отрицательному электроду в месте x, например. В месте y первый положительный электрод множества положительных электродов 220 электрически соединен с третьей частью 264. В одном примере место у может быть выбрано в зависимости от места x первого отрицательного электрода и зазора (D-D). То есть первый положительный электрод может быть расположен напротив первого отрицательного электрода, например. Кроме того, первый положительный электрод четвертой части 266 множества положительных электродов 220 проходит на длину L (стрелка 272). В одном примере длина L может быть по существу равна длине L второй части 256 множества отрицательных электродов 218. В еще одном примере длина L может быть отлична от длины L множества отрицательных электродов 218.
5
2
2
2
6
Начало второго зуба или второго из множества положительных электродов 220 может отстоять в нисходящем направлении на длину L от верхней поверхности 250 наружной трубки 212 и быть расположено в месте (y+W), где W - это второй шаг между положительными электродами 220 множества. В месте (y+W) второй положительный электрод множества положительных электродов 220 электрически соединен с третьей частью 264. Кроме того, второй положительный электрод множества положительных электродов 220 проходит на длину L, являющуюся такой же, что и длина, на которую проходит первый положительный электрод, например. Аналогичным образом сформированы следующие положительные электроды множества положительных электродов 220 на наружной поверхности 268 центрального элемента 214. Электрический провод 258 соединяет третью часть 264 и четвертую часть 266 с положительной клеммой источника напряжения, расположенного за пределами наружной трубки 212 с возможностью подачи положительного напряжения на любой из электродов множества положительных электродов 220. Можно отметить, что множество положительных электродов 220 электрически не соединено с множеством отрицательных электродов 218. То есть третья часть 264 электрически не соединена с первой частью 252 или второй частью 256. Аналогичным образом, четвертая часть 266 электрически не соединена с первой частью 252 или второй частью 256. То есть положительный электрод 220 не соединен с отрицательным электродом 218. Положительный электрод 220 не сформирован на той же поверхности, что и отрицательный электрод 218. То есть зазор отделяет множество положительных электродов 220 от множества отрицательных электродов 218. В зазоре отсутствуют какие-либо компоненты. При подаче положительного и отрицательного напряжений на соответствующие электроды возникает однородное электрическое поле в зазоре между множеством положительных электродов 220 и множеством отрицательных электродов 218. А именно, однородное электрическое поле проходит по всей длине множества положительных и отрицательных электродов в направлении, перпендикулярном поверхности множество электродов. То есть электрическое поле перпендикулярно наружной поверхности 268 центрального элемента 214, а также перпендикулярно внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. Электрическое поле, перпендикулярное указанным поверхностям, может оказывать более сильное воздействие на заряженные твердые частицы в отработавших газах, тем самым направляя эти твердые частицы в сторону электродов и обеспечивая их скопление на электродах. Кроме того, в зазоре не происходит ослабление электростатического поля, в связи с чем оно является более равномерным от края до края зазора.
Как раскрыто выше, центральный элемент 214 содержит множество отверстий 224, сформированных на его поверхности. Множество отверстий 224 могут быть расположены в промежутках между множеством положительных электродов 220 на протяжении длины центрального элемента. Например, между первым положительным электрод и вторым отрицательным электродом может быть сформирован вертикальный ряд отверстий. В одном примере четыре отверстия могут быть с одинаковым шагом сформированы между первым положительным электродом и вторым положительным электродом множества положительных электродов 220. В других примерах количество отверстий может быть другим, и (или) отверстия могут быть расположены с разным шагом между ними.
Центральный элемент 214 содержит нагревательный элемент 222 (в настоящем описании также именуемый «цепь регенерации»), образованный на внутренней поверхности 248 центрального элемента 214. Нагревательный элемент 222 может быть образован на поверхности, отличной от той, на которой сформирован положительный электрод 220. То есть, если положительные электроды сформированы на наружной поверхности, то нагревательный элемент - на внутренней поверхности. Кроме того, нагревательный элемент 222 отстоит от положительного электрода 220 на расстояние, равное толщине центрального элемента 214. Нагревательный элемент 222 может содержать, помимо прочего, датчик температуры и нагреватель. Примерами материалов для нагревателя и датчика температуры, образующих нагревательный элемент 222, могут служить платина, золото, палладий и т.п.; а также сплавы, оксиды и комбинации, содержащие как минимум один из вышеуказанных материалов, с платиной/оксидом алюминия, платиной/палладием, платиной и палладием. Нагревательный элемент 222 можно использовать для регенерации датчика 202 ТЧ. А именно, в условиях, когда скопление твердых частиц или сажи на датчике 202 ТЧ выше порогового, можно включить в работу нагревательный элемент 218 для выжигания скопившихся частиц сажи с поверхности датчика. Включение нагревательного элемента в работу представляет собой замыкание выключателя цепи регенерации, соединенной с нагревательным элементом, для подачи тока в нагревательный элемент на пороговое время, в связи с чем растет температура нагревательного элемента и, как следствие, электродов датчика, для выжигания твердые частицы сажи, осажденных на электроды датчика.
2
1
2
1
Обратимся к ФИГ. 3А, изображающей вид в поперечном разрезе 300 датчика 202 ТЧ в плоскости по оси А-А' на ФИГ.2. В данном случае показан поперечный разрез наружной трубки 212 и центрального элемента 214. Как раскрыто выше, центральный элемент 214 может представлять собой перфорированную полую цилиндрическую трубку с диаметром D, а наружная трубка 212 может представлять собой полую цилиндрическую трубку с диаметром D (при этом D<D, например). Центральный элемент 214 расположен внутри наружной трубки 212 так, что центральный элемент и наружная трубка имеют общую центральная ось, то есть круговые поперечные сечения центрального элемента и наружной трубки имеют общий центр.
1
Как раскрыто выше, множество отрицательных электродов 218 сформировано на протяжении внутренней поверхности 246 наружной трубки 212. Последующие электроды множества отрицательных электродов отстоят друг от друга на первый шаг W. Множество отрицательных электродов 218 соединено с отрицательной клеммой источника 308 напряжения электрической цепи 304. Вкратце, множество отрицательных электродов 218 соединено посредством электропровода 254 с отрицательной клеммой источника 308 напряжения через измерительное устройство 318. Измерительное устройство 318 может представлять собой амперметр, вольтметр и т.п.
2
Множество положительных электродов 220 сформировано на протяжении наружной поверхности 268 центрального элемента 214. Последовательные зубья/электроды множества положительных электродов отстоят друг от друга на второй шаг W.
Множество положительных электродов 220 соединено с положительной клеммой источника 308 напряжения электрической цепи 304 посредством электропровода 258.
Как раскрыто выше, часть отработавших газов поступает в датчик 202 ТЧ через вход во внутренней трубке датчика 202 ТЧ. Затем указанная часть отработавших газов течет внутри внутренней трубки вдоль нее в центральный элемент 214 (в пределах участка 320). Часть отработавших газов, текущая в участке 320 в пределах центрального элемента 214, течет в направлении, перпендикулярном потоку отработавших газов внутри выпускного канала. Затем часть отработавших газов в участке 320 течет через множество отверстий 224, как показано стрелками 306. То есть через множество отверстий 224 на протяжении центрального элемента 214 отработавшие газы направляют в зазор 302 между электродами. При подаче электрического поля между электродами, твердые частицы в отработавших газах могут быть уловлены на поверхности электродов и в зазоре 302 между электродами, например. Поэтому содержание твердых частиц или скопление сажи на датчике 202 ТЧ можно определять по изменениям сопротивления (или тока) на электродах, как раскрыто ниже.
Источником 308 напряжения и измерительным устройством 318 электрической цепи 304 может управлять контроллер, например, контроллер 12 на ФИГ. 1, с возможностью диагностики течей в ФТЧДД, например, по скоплению твердых частиц на датчике ТЧ. Электропроводы 254 и 258, источник 308 напряжения и измерительное устройство 318 входят в состав электрической цепи 304 и расположены за пределами выпускного канала 204 на ФИГ. 2. Измерительное устройство 318 может представлять собой любое устройство с возможностью определения изменения сопротивления (или тока) на электродах, например, вольтметр (амперметр). При осаждении ТЧ или частиц сажи в зазоре 302 между положительными и отрицательными электродами, результат измерения тока измерительным устройством 318 может начать расти. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью определения тока и выведения соответствующей величины скопления ТЧ или сажи на датчике 202 ТЧ. Контроль загрязненности датчика 202 ТЧ позволяет определять содержание сажи в отработавших газах ниже по потоку от ФТЧДД и, тем самым, диагностировать и контролировать техническое состояние и функционирование ФТЧДД.
Как раскрыто выше, центральный элемент 214 содержит нагревательный элемент 222, сформированный на протяжении внутренней поверхности 248 центрального элемента 214. Нагревательный элемент 222 выполнен с возможностью регенерации датчика 202 ТЧ. А именно, в условиях, когда скопление твердых частиц или сажи на датчике 202 ТЧ выше порогового, можно включить нагревательный элемент 222 для выжигания скопившихся частиц сажи с поверхности датчика. Во время регенерации датчика ТЧ контроллер 12 может подать напряжение на нагревательный элемент 222 через источник 310 напряжения. Кроме того, контроллер может замкнуть выключатель 312 на пороговое время для подачи напряжения через источник 310 напряжения на нагревательный элемент 222 для повышения температуры нагревательного элемента 222. Затем, когда электроды и зазор 302 между электродами станут достаточны чистыми, контроллер может разомкнуть выключатель 312 для прекращения нагрева нагревательного элемента 222. Периодическая регенерация датчика 202 ТЧ позволяет возвращать его в состояние (например, незагрязненное или только частично загрязненное), более подходящее для сбора сажи из отработавших газов. Кроме того, из результатов регенерации датчика можно получить достоверную информацию об уровне сажи в отработавших газах с возможностью использования этой информации контроллером для диагностики течей в фильтре твердых частиц.
Отработавшие газы, выходящие из центрального элемента 214 через множество отверстий 224, могут течь в наружную трубку 212 с последующим удалением в выпускной канал, как раскрыто на примере ФИГ. 3В. Выходные отверстия 228 могут быть расположены с возможностью выхода отработавших газов из датчика 202 ТЧ в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов (указанному стрелкой 206) в выпускном канале 204. Виды в поперечном разрезе по линии В-В', представленные на ФИГ. 3В, иллюстрируют положение выходных отверстий в наружной трубке 212 относительно направления потока отработавших газов.
3
Обратимся к ФИГ. 3В, изображающей вид 350 в поперечном разрезе датчика 202 ТЧ в плоскости по линии В-В' на ФИГ. 2. В этом случае показан поперечный разрез наружной трубки 212 и внутренней трубки 216. Как раскрыто выше, внутренняя трубка 216 может представлять собой полую цилиндрическую трубку с диаметром D, а наружная трубка 212 может представлять собой полую цилиндрическую трубку с диаметром Внутренняя трубка 216 расположена внутри наружной трубки 212 так, что внутренняя и наружная трубки имеют общую центральную ось.
Отработавшие газы текут по выпускному каналу по оси X, как указывает стрелка 206. Часть отработавших газов поступает в датчик 202 ТЧ через вход 226 внутренней трубки. Затем данная часть отработавших газов течет по оси Y внутри внутренней трубки (в пределах участка 356) к центральному элементу 214. На виде 350 в поперечном разрезе по линии В-В' отработавшие газы находятся в пределах внутренней трубки 216 и далее текут перпендикулярно плоскости листа и за ее пределы (по оси Y). Отработавшие газы могут выходить из центрального элемента через отверстия, расположенные в промежутках между положительными электродами. То есть отработавшие газы могут сначала проходить через зазор, образованный между центральным элементом и наружной трубкой (зазор между электродами, например), а затем проходят в кольцевом пространстве/участке 354, образованном между наружной трубкой и внутренней трубкой. На виде 350 отработавшие газы находятся в пределах кольцевого пространства 354 и текут в плоскости листа чертежа (по оси Y). То есть отработавшие газы текут в кольцевом пространстве 354 в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в участке 356 внутренней трубки 216.
Наружная трубка 212 может содержать выходные отверстия 228, расположенные на диаметрально противоположных поверхностях наружной трубки 212. А именно, часть отработавших газов, текущая в пределах кольцевого пространства 354 между наружной и внутренней трубками, может выходить через выходные отверстия 228. В одном примере выходные отверстия 228 могут представлять собой отверстия, вырезанные на диаметрально противоположных поверхностях наружной трубки 212. Выходные отверстия 228 могут иметь и другие геометрические формы без отступления от объема настоящего изобретения. Примерами других геометрических форм могут служить щели, прорези и т.п.
Выходные отверстия 228 расположены с возможностью выхода части отработавших газов, текущей в кольцевом пространстве 354, из датчика ТЧ по оси Z (как указано стрелкой 352). То есть вытекающая часть отработавших газов может выходить из наружной трубки 212 в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов (стрелка 206).
Таким образом, пример датчика твердых частиц может содержать наружную неперфорированную трубку с множеством отрицательных электродов на протяжении внутренней поверхности, центральный перфорированный элемент с множеством положительных электродов на протяжении наружной поверхности указанного центрального элемента, при этом указанный центральный элемент расположен внутри указанной наружной трубки, и внутреннюю трубку, присоединенную к центральному элементу, при этом наружная трубка, центральный элемент и внутренняя трубка имеют общую ось. Дополнительно или альтернативно, центральный элемент может содержать цепь регенерации, соединенную с внутренней поверхностью центрального элемента, для нагревания центрального элемента, при этом центральный элемент содержит множество отверстий, при этом множество отверстий проходит и через наружную поверхность, и через внутреннюю поверхность центрального элемента. Дополнительно или альтернативно, диаметр внутренней трубки может быть меньше и диаметра наружной трубки, и диаметра центрального элемента. Дополнительно или альтернативно, множество положительных электродов может быть обращено к множеству отрицательных электродов и отделено от множества отрицательных электродов зазором. Дополнительно или альтернативно, множество отрицательных электродов может быть распределено на протяжении внутренней поверхности наружной трубки с первым шагом, причем множество положительных электродов может быть распределено на протяжении наружной поверхности центрального элемента со вторым шагом, при этом множество отверстий центрального элемента расположено в промежутках между множеством положительных электродов. Дополнительно или альтернативно, первый шаг может быть по существу равен второму шагу. Дополнительно или альтернативно, первый шаг может быть отличен от второго шага. Дополнительно или альтернативно, внутренняя трубка может содержать первый участок и второй участок, причем первый участок расположен в пределах наружной трубки, а второй участок выходит из наружной трубки в выпускную трубу, при этом центральный элемент прикреплен к внутренней трубке на первом участке внутренней трубки. Дополнительно или альтернативно, второй участок может содержать вход, выполненный с возможностью пропуска через него отработавших газов из выпускной трубы в блок датчика ТЧ в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускной трубе, и пропускания их от второго участка к первому участку, центральному элементу и зазору, при этом отработавшие газы текут от центрального элемента в зазор через множество отверстий. Дополнительно или альтернативно, наружная трубка может содержать выходные отверстия, выполненные с возможностью направления отработавших газов из указанного блока в выпускную трубу в направлении, перпендикулярном и направлению потока отработавших газов в выпускной трубе, и направлению поступления отработавших газов в указанный блок через вход.
Чувствительность датчика ТЧ может ухудшиться из-за оседания крупных твердых частиц и (или) водяных капель на положительных и отрицательных электродах. Вход внутренней трубки выполнен с возможностью отфильтровывания крупных твердых частиц и водяных капель, как раскрыто на ФИГ. 4.
Обратимся к ФИГ. 4, представляющей собой схематический вид 400 потока отработавших газов через датчик 202 ТЧ. А именно, вид 400 иллюстрирует, как отработавшие газы текут в датчик 202 ТЧ через вход 226 внутренней трубки 216, а оттуда - в направляющую трубку 210. Вид 400 также иллюстрирует, как отработавшие газы вытекают из датчика 202 ТЧ через выходные отверстия 228 наружной трубки 212.
Как и на ФИГ. 2, на ФИГ. 4 представлены примеры конфигураций с относительным расположением различных компонентов. Если они показаны непосредственно соприкасающимися друг с другом или непосредственно соединенными, то такие элементы могут считаться непосредственно соприкасающимися или, в соответствующих случаях, непосредственно соединенными, как минимум в одном примере. Аналогичным образом, элементы, показанные смежными или прилегающими друг к другу, могут быть смежными или, в соответствующих случаях, прилегать друг к другу в как минимум одном примере. Например, компоненты, соприкасающиеся друг с другом лицевыми сторонами, могут рассматриваться как соприкасающиеся по общей лицевой стороне. В качестве другого примера, элементы, расположенные отдельно друг от друга, между которыми находится только какое-либо пространство, но не другие компоненты, могут описываться таким образом в как минимум одном примере.
Отработавшие газы текут по оси X внутри выпускного канала 204, как указывает стрелка 206, из области выше по потоку от фильтра твердых частиц к датчику 202 ТЧ, например. Отработавшие газы могут содержать загрязнители 402, например, крупные твердые частицы и водяные капли. Вход 226 расположен во внутренней трубке 216 с возможностью поступления отработавших газов в него в направлении, указанном стрелкой 208, противоположном направлению потока отработавших газов (206) в выпускном канале 204. Вход 226 расположен ближе к концу выхлопной трубы и дальше от фильтра твердых частиц выше по потоку от датчика 202 ТЧ. При протекании отработавших газов в выпускном канале 204, в области вокруг входа 226 возникает градиент статического давления. В данном случае, статическое давление на входе 226 или рядом с ним выше, чем в областях, удаленных от входа 226, в результате чего происходит направление отработавших газов в датчик 202 ТЧ через вход 226. Часть отработавших газов, поступающая через вход 226, изменяет направление своего течения на противоположное перед поступлением в датчик. Загрязнители 402 могут быть крупного размера, поэтому на них может не действовать градиент статического давления, образующийся на входе 226 и рядом с ним. Загрязнители 402 могут течь дальше мимо датчика 202 ТЧ в выпускном канале с последующим сбросом из выпускной трубы. Так можно защитить электроды датчика ТЧ, расположенные внутри наружной трубки 212, от ударного воздействия водяных капель и крупных твердых частиц. Таким образом, создание градиента статического давления на входе и направление отработавших газов в противоположном направлении в датчик ТЧ через указанный вход позволяет отфильтровывать крупные твердые частицы и водяные капли и, тем самым, уменьшать количество загрязнителей, поступающих в датчик 202 ТЧ. Так можно защитить датчик ТЧ от ударного воздействия водяных капель и крупных твердых частиц и повысить надежность датчика ТЧ. В целом, можно повысить эффективность работы датчика ТЧ в части оценки фильтрующей способности ФТЧДД (и, тем самым, обнаружения течей из ФТЧДД) и показатели в части соответствия нормативам выбросов за счет более достоверного и надежного обнаружения твердых частиц в отработавших газах.
Как раскрыто выше, часть отработавших газов, поступающая в датчик 202 ТЧ через вход 226, может течь в области во внутренней трубке, как указано стрелкой 404 (по оси Y), в центральный элемент 214. Затем отработавшие газы могут течь из внутреннего пространства центрального элемента 214 через множество отверстий 224 в зазор между электродами (как указано стрелкой 406). То есть отработавшие газы могут течь в радиальном направлении через множество отверстий 224 в зазор, где на твердые частицы в отработавших газах могут действовать однородные электрические поля, и происходить осаждение частиц в зазоре и на поверхностях электродов. Затем отработавшие газы текут в наружную трубку 212 (как указано стрелкой 408). Наружная трубка 212 содержит выходные отверстия 228, расположенные на диаметрально противоположных поверхностях наружной трубки 212. Затем отработавшие газы вытекают из датчика 202 ТЧ через выходные отверстия 228, как указано стрелкой 410. В данном случае отработавшие газы выходят из датчика 202 ТЧ в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов, поступающих в датчик 202 ТЧ через вход 226. Кроме того, отработавшие газы выходят из датчика 202 ТЧ в направлении, перпендикулярном потоку отработавших газов в выпускном канале (указанному стрелкой 206).
Таким образом, пример датчика твердых частиц содержит отрицательные электроды, сформированные с равным шагом на первом цилиндрическом элементе, положительные электроды, сформированные с равным шагом на втором цилиндрическом элементе, при этом положительные электроды отделены от отрицательных электродов зазором и обращены к отрицательным электродам, и нагревательные элементы, сформированные на втором элементе, при этом положительные электроды и нагревательные элементы сформированы на разных поверхностях указанного второго элемента. Дополнительно или альтернативно, указанный второй элемент может быть расположен соосно в пределах первого элемента. Дополнительно или альтернативно, указанный второй элемент может содержать перфорированный участок, при этом перфорированный участок содержит положительные электроды, указанные нагревательные элементы и множество отверстий, причем положительные электроды сформированы на наружной поверхности перфорированного участка, нагревательные элементы сформированы на внутренней поверхности перфорированного участка, а множество отверстий рассредоточено между положительными электродами и нагревательными элементами. Дополнительно или альтернативно, указанный второй элемент может также содержать неперфорированный участок, причем неперфорированный участок отличен от перфорированного участка, причем неперфорированный участок соосен перфорированному участку и меньше его в диаметре. Дополнительно или альтернативно, неперфорированный участок может содержать вход, выполненный с возможностью пропуска отработавших газов в датчик и направления их потока от неперфорированного участка к перфорированному участку и из него в указанный зазор через множество отверстий. Дополнительно или альтернативно, первый элемент может содержать выходные отверстия, выполненные с возможностью выпуска отработавших газов из датчика.
Обратимся к ФИГ. 5, иллюстрирующей способ 500 для накапливания твердых частиц из потока отработавших газов на электродах датчика, расположенных в датчике ТЧ (например, датчике 106 ТЧ на ФИГ. 1 и (или) датчике 202 ТЧ на ФИГ. 2). А именно, твердые частицы из потока отработавших газов можно улавливать в зазоре, образованном между положительными и отрицательными электродами датчика ТЧ.
В данном случае, положительные электроды сформированы на наружной поверхности перфорированного центрального элемента, а отрицательные электроды сформированы на внутренней поверхности неперфорированной наружной трубки. Центральный элемент может представлять собой цилиндрическую перфорированную полую трубку, расположенную соосно внутри цилиндрической наружной трубки.
Команды для реализации способа 500 и остальных способов - 600 и 700, раскрытых в настоящем описании, может выполнять контроллер в соответствии с командами, хранящимися в памяти контроллера, и во взаимосвязи с сигналами от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примерах ФИГ. 1-4. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы системы двигателя согласно раскрытым ниже способам.
На шаге 502 способ 500 включает в себя определение и (или) оценку параметров работы двигателя. В число определяемых параметров работы двигателя могут входить, например, частота вращения двигателя, расход отработавших газов, температура двигателя, воздушно-топливное отношение в отработавших газах, температура отработавших газов, период (или расстояние) с момента последней регенерации ФТЧДД, скопление ТЧ на датчике ТЧ, уровень наддува, такие условия окружающей среды, как барометрическое давление и температура окружающей среды, и т.п.
Способ 500 следует на шаг 504, на котором часть отработавших газов направляют в датчик ТЧ через вход. Направление отработавших газов во вход датчика ТЧ включает в себя изменение на противоположное направления потока отработавших газов, текущих по выпускному каналу, с последующим направлением потока отработавших газов во вход датчика. Вход может быть сформирован на внутренней трубке, а именно - на части внутренней трубки, проходящей в выпускной канал. Внутренняя трубка может содержать относительно большую перфорированную часть, соединенную с относительно небольшой неперфорированной частью. В данном случае вход сформирован на относительно небольшой неперфорированной части. Кроме того, вход может быть сформирован на внутренней трубке с возможностью поступления в него отработавших газов в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов внутри выпускного канала. Во входе во внутренней трубке и вокруг него возникает относительно высокое статическое давление. В результате, относительно большая часть отработавших газов течет в датчик ТЧ через вход. При этом указанное относительно высокое статическое давление не действует на крупные твердые частицы и водяные капли в отработавших газах. То есть крупные твердые частицы и водяные капли не поступают в датчик ТЧ через вход, что уменьшает погрешности датчика из-за оседания таких твердых частиц, например, на поверхности электродов датчика.
Способ следует на шаг 506. На шаге 506 часть отработавших газов, поступающую через вход, направляют к пространству или зазору между электродами датчика через отверстия во внутренней трубке. Как раскрыто выше, электроды датчика включают в себя множество отрицательных электродов, сформированное на внутренней поверхности наружной трубки датчика ТЧ. Электроды датчика также включают в себя множество положительных электродов, сформированное на наружной поверхности перфорированной части внутренней трубки. Внутренняя трубка, расположенная внутри наружной трубки, отделена от наружной трубки зазором. То есть множество положительных электродов отделено от множества отрицательных электродов зазором. Часть отработавших газов внутри неперфорированной части внутренней трубки течет в перфорированную часть внутренней трубки и выходит через множество отверстий в зазор между наружной трубкой и внутренней трубкой. Затем способ следует на шаг 508.
На шаге 508 происходит улавливание/скопление твердых частиц из части отработавших газов, текущей через отверстия, в зазоре между электродами датчика. В данном случае электроды датчика включают в себя множество положительных электродов, распределенное на протяжении наружной поверхности внутренней трубки, и множество отрицательных электродов, распределенное на протяжении внутренней поверхности наружной трубки датчика ТЧ. Следует понимать, что множество положительных электродов сформировано на протяжении перфорированной части внутренней трубки. То есть множество отверстий может быть расположено в промежутках между множеством положительных электродов, сформированным на внутренней трубке.
Как раскрыто выше, множество положительных электродов и множество отрицательных электродов расположены навстречу друг другу. Множество положительных электродов, сформированное на наружной поверхности центрального элемента, соединено с положительной клеммой источника напряжения. Аналогичным образом, множество отрицательных электродов, сформированное на внутренней поверхности наружной трубки, соединено с измерительным устройством и далее - с отрицательной клеммой источника напряжения. Когда контроллер подает напряжение на электроды датчика, в зазоре между электродами возникает однородное электрическое поле. То есть на твердые частицы, поступающие в зазор через множество отверстий на внутренней трубке, может действовать сильное и однородное электрическое поле в зазоре, что обеспечивает возможность их скопления в виде мостика сажи в зазоре между электродами. Затем способ следует на шаг 512.
На шаге 512 оценивают загрязненность электродов датчика по току, генерируемому в электродах датчика. Когда происходит скопление твердых частиц на поверхности электродов датчика и образование мостиков сажи в зазоре между электродами датчика, сопротивление электродов начинает падать, а ток, измеряемый измерительным устройством, начинает расти. Контроллер выполнен с возможностью выводить загрязненность электродов датчика из результата измерения тока на электродах.
Затем способ 500 следует на шаг 514, на котором часть отработавших газов, покидающую электроды датчика, направляют в наружную трубку, а затем - в выпускной канал через выходные отверстия или выходные прорези, расположенные на боковых поверхностях наружной трубки. Выходные отверстия на наружной трубке выполнены с возможностью пропускания отработавших газов в направлении, перпендикулярном и потоку отработавших газов в выпускной трубе, и направлению потока части отработавших газов в датчик через указанный вход. Способ 500 следует на шаг 516.
На шаге 516 способ 500 включает в себя проверку наличия условий для регенерации электродов датчика. А именно, когда скопление сажи на датчике ТЧ превышает пороговое, или когда сопротивление (с поправкой на температуру) падает до порогового, или когда ток датчика ТЧ превышает пороговый, можно считать, что имеют место условия для регенерации датчика ТЧ. В некоторых примерах можно считать, что имеют место условия для регенерации, если прошло пороговое время с предыдущей регенерации датчика. Регенерация датчика ТЧ может быть необходима для продолжения обнаружения ТЧ.
Если имеют место условия для регенерации (например, ответ «ДА» на шаге 516), способ 500 следует на шаг 520, на котором может быть выполнена регенерация датчика ТЧ способом, раскрытым на ФИГ. 6. Вкратце, регенерация датчика ТЧ может быть запущена путем нагрева датчика. Например, датчик ТЧ можно нагреть, включив нагревательный элемент, находящийся в тепловом контакте с внутренней поверхностью внутренней перфорированной трубки (также именуемой «центральный элемент»). В данном случае контроллер может замкнуть выключатель в электрической цепи, тем самым подав напряжение на нагревательный элемент, в связи с чем происходит нагрев нагревательных элементов. Кроме того, контроллер может не подавать напряжение на электроды датчика во время регенерации датчика. То есть электроды датчика могут не накапливать сажу во время регенерации датчика. Нагревательный элемент может находиться во включенном состоянии до тех пор, пока не произойдет достаточное уменьшение скопления сажи на датчике за счет окисления частиц углерода между электродами. При этом, если условия для регенерации датчика ТЧ отсутствуют (например, «НЕТ» на шаге 516), способ следует на шаг 518, на котором может быть продолжен сбор твердых частиц на электродах датчика.
Таким образом, раскрыт пример способа для обнаружения твердых частиц. Способ содержит шаги, на которых: пропускают часть отработавших газов из области ниже по потоку от фильтра твердых частиц в датчик через вход внутренней трубки в направлении, противоположном потоку отработавших газов в выпускной трубе, направляют указанную часть отработавших газов в пространство между электродами датчика через множество отверстий внутренней трубки, при этом множество отверстий расположено на удалении от входа внутренней трубки, накапливают твердые частицы из указанной части отработавших газов в указанном пространстве между электродами датчика, и направляют указанную часть отработавших газов из датчика через выходные отверстия, расположенные на наружной трубке, в направлении, перпендикулярном и потоку отработавших газов в выпускной трубе, и направлению потока части отработавших газов в датчик через указанный вход. Дополнительно или альтернативно, электроды датчика могут включать в себя множество положительных электродов, сформированное на наружной поверхности внутренней трубки и множество отрицательных электродов, сформированное на внутренней поверхности наружной трубки, при этом внутренняя трубка расположена внутри наружной трубки и отделена от нее указанным пространством. Дополнительно или альтернативно, способ содержит шаг, на котором определяют загрязненность электродов датчика по току, генерируемому в электродах датчика, а также содержит шаг, на котором регенерируют электроды датчика путем нагрева электрических элементов, сформированных на внутренней поверхности внутренней трубки, когда загрязненность электродов датчика выше пороговой.
Датчик ТЧ может содержать контроллер с машиночитаемыми командами в долговременной памяти для накапливания твердых частиц из отработавших газов в зазоре путем подачи положительного напряжения на положительные электроды и отрицательного напряжения на отрицательные электроды, определения загрязненности датчика по току, генерируемому между положительными электродами и отрицательными электродами, и, если загрязненность превышает первый порог, регенерации датчика (как раскрыто на ФИГ. 6) путем подачи напряжения на нагревательные элементы до тех пор, пока скопление сажи не станет ниже второго порога, при этом второй порог ниже первого порога.
Обратимся к ФИГ. 6, иллюстрирующей способ 600 для регенерации датчика ТЧ (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1 и (или) датчика 202 ТЧ на ФИГ. 2). А именно, когда скопление сажи на датчике ТЧ выше порогового, или когда сопротивление датчика ТЧ с поправкой на температуру падает до порогового, можно считать, что имеют место условия для регенерации датчика ТЧ, и может быть необходима регенерация датчика ТЧ для продолжения обнаружения ТЧ. На шаге 602 можно запустить регенерацию датчика ТЧ и выполнить ее путем нагревания датчика на шаге 604. Датчик ТЧ можно нагревать, включив нагревательный элемент (например, нагревательный элемент 222, сформированный на внутренней поверхности 248 центрального элемента 214 на ФИГ. 2) до тех пор, пока скопление сажи в достаточной степени не сократиться благодаря окислению частиц углерода между электродами. Регенерацией датчика ТЧ обычно управляют с помощью таймеров, при этом таймер может быть установлен на пороговый период на шаге 602. Или же регенерацией датчика можно управлять, измеряя температуру наконечника датчика, или регулируя подачу мощности на нагреватель, либо используя все указанные способы. Если для регенерации датчика ТЧ используют таймер, на шаге 606 способ 600 включает в себя проверку того, истек ли пороговый период. Если пороговый период не истек (например, "НЕТ" на шаге 606), способ 600 следует на шаг 608, на котором цепь регенерации можно оставить в состоянии «ВКЛЮЧЕНО» («ВКЛ.») для продолжения регенерации. Если пороговый период истек (например, «ДА» на шаге 606), способ 600 следует на шаг 610, на котором регенерацию датчика сажи можно прекратить, и выключить электрическую цепь на шаге 612. Кроме того, электроды датчика можно охладить, например, до температуры отработавших газов. Способ 600 следует на шаг 614, на котором можно обновить значения скопления ТЧ на датчике и статистику регенерации и сохранить их в памяти. Например, можно обновить данные о частоте регенерации датчика ТЧ и (или) среднем интервале между регенерациями датчика, после чего выполнение способа завершают.
Выпускной канал двигателя может содержать один или несколько датчиков ТЧ, расположенных выше и (или) ниже по потоку от ФТЧДД, для определения скопления сажи в ФТЧДД. Если датчик ТЧ расположен выше по потоку от ФТЧДД, по изменению сопротивления после осаждения сажи на множестве электродов датчика ТЧ можно определять скопление сажи на датчике. По результату определения скопления сажи можно, например, обновить значение скопления сажи в ФТЧДД. Если скопление сажи в ФТЧДД превышает порог для регенерации ФТЧДД, контроллер может отрегулировать параметры работы двигателя для регенерации ФТЧДД. А именно, если имеют место условия для регенерации фильтра, можно повысить температуру фильтра (или вблизи фильтра) до уровня, достаточного для выжигания накопленной сажи. Указанное повышение может включать в себя включение нагревателя, соединенного с ФТЧДД, или повышение температуры отработавших газов двигателя (например, за счет работы на богатой смеси), направляемых в ФТЧДД.
Обратимся к ФИГ. 7, на которой представлен пример способа 700 для диагностики функционирования ФТЧДД по межрегенерационному интервалу датчика ТЧ. На шаге 702 контроллер может вычислить путем калибровки межрегенерационный интервал t(i)_regen для датчика ТЧ, представляющий собой интервал, измеряемый с окончания предыдущей регенерации до начала текущей регенерации датчика ТЧ. На шаге 704 сравнивают t(i)_regen с t(i-1)_regen, при этом последний представляет собой предыдущий калиброванный интервал регенерации датчика ТЧ. По результатам можно определить, что датчик сажи может неоднократно проходить цикл регенерации для диагностики ФТЧДД. Если t(i)_regen меньше половины значения t(i-l) _regen, то на шаге 708 указывают наличие течи из ФТЧДД, и подают сигнал ухудшения характеристик ФТЧДД. Вместо вышеуказанного процесса или в дополнение к нему, диагностику ФТЧДД можно осуществлять, используя другие параметры, например: температуру отработавших газов, частоту вращения / нагрузку двигателя и т.п.Сигнал ухудшения характеристик может быть подан, например, с помощью индикаторной лампы неисправности или диагностического кода. Кроме того, способ 700 предусматривает изменение параметров работы двигателя в связи с указанием наличия течи в ФТЧДД на шаге 710. Изменение параметров работы двигателя может, например, включать в себя ограничение крутящего момента двигателя на шаге 712. В одном примере, в связи с выявлением течи в ФТЧДД можно уменьшить мощность и крутящий момент двигателя. Уменьшение мощности и крутящего момента двигателя позволяет уменьшить содержание ТЧ в отработавших газах. Например, изменение параметров работы двигателя может включать в себя уменьшение подачи топлива в дизельный двигатель в условиях высокой нагрузки, в связи с чем происходит уменьшение крутящего момента. Дополнительно или альтернативно, в связи с выявлением течи в ФТЧДД, можно сократить использование РОГ. Дополнительно или альтернативно, на приборную панель можно вывести предупредительный сигнал для указания расстояния, которое транспортное средство может пройти до проверки работы ФТЧДД.
Если текущий межрегенерационный интервал составляет менее половины предыдущего межрегенерационного интервала, это может указывать на то, что время достижения электрической цепью порога R_regen стало значительно короче, в связи с чем возросла частота регенерации. Возросшая частота регенерации датчика ТЧ может свидетельствовать о том, что содержание твердых частиц в исходящем потоке отработавших газов выше того, что имеет место при нормальном функционировании ФТЧДД. То есть, если изменение межрегенерационного интервала датчика сажи достигает порога t_regen, при котором текущий межрегенерационный интервал датчика ТЧ меньше половины предыдущего межрегенерационного интервала, указывают наличие ухудшения характеристик ФТЧДД или течи из него, например, путем визуального отображения для водителя и (или) установки флага состояния, сохраняемого в долговременной памяти, соединенной с процессорным устройством, с возможностью отправки в диагностическое устройство, соединенное с процессорным устройством. Если изменение межрегенерационного интервала датчика сажи не достигает порога t_regen, на шаге 706 не указывают наличие течи в ФТЧДД. Так можно выявлять течи в фильтре твердых частиц, расположенном выше по потоку от датчика твердых частиц, по интенсивности осаждения твердых частиц на электродах датчика твердых частиц.
Обратимся к ФИГ. 8, представляющей собой схему 800, иллюстрирующую пример зависимости между скоплением сажи на датчике ТЧ и скоплением сажи в фильтре твердых частиц. А именно, схема 800 графически иллюстрирует зависимость между регенерацией датчика ТЧ и скоплением сажи в ФТЧДД, в частности то, как регенерация датчика ТЧ может указывать на ухудшение характеристик ФТЧДД.
Вертикальные метки t0, t1, t2, t3, t4, t5 и t6 обозначают значимые моменты в работе и системе датчика ТЧ и ФТЧДД.
Первая кривая на ФИГ. 8 отражает скопление сажи на датчике ТЧ. Как раскрыто выше, осаждение ТЧ происходит от края до края зазора между множеством положительных и отрицательных электродов. В данном случае электроды сформированы на разных цилиндрических поверхностях. То есть скопление сажи происходит в зазоре между электродами в виде образующихся мостиков сажи. По мере скопления сажи ток, измеряемый на электродах, начинает расти (или сопротивление электродов начинает падать). Контроллер выполнен с возможностью определения скопления сажи (кривая 802) по результату измерения тока/сопротивления. Скопление сажи находится на низшем уровне в нижней части кривых и возрастает в вертикальном направлении к верхней части кривой. Горизонтальное направление представляет время, значения которого увеличиваются с левой стороны кривой к правой стороне кривой. Горизонтальная метка 806 представляет порог загрязненности для регенерации датчика ТЧ в верхней кривой. Кривая 804 отражает скопление сажи в ФТЧДД, а горизонтальная метка 808 представляет пороговое скопление сажи в ФТЧДД во второй кривой.
Между t0 и t1 показан цикл регенерации датчика ТЧ. В момент t0 датчик ТЧ находится в относительно чистом состоянии, на что указывает низкий уровень скопления ТЧ по результату измерения (кривая 802). Контроллер, соединенный с датчиком ТЧ, определяет скопление сажи датчика ТЧ, например, по результату измерения тока/сопротивления на электродах датчика. Когда контроллер устанавливает, что скопление сажи невелико, он может направить команды на цепь регенерации для прекращения подачи тепла, чтобы цепь обнаружения могла начать обнаружение скопления ТЧ. По мере роста скопления ТЧ на датчике, происходит накопление сажи в зазоре между электродами датчика.
Между t0 и t1 датчик ТЧ продолжает накапливать сажу (кривая 802), в связи с чем растет ее содержание в нем, как и скопление сажи на ФТЧДД (кривая 804). В некоторых примерах скопление сажи в ФТЧДД можно определять по скоплению ТЧ на датчике, например, если датчик ТЧ расположен выше по потоку от ФТЧДД.
В момент t1 скопление сажи на датчике ТЧ (кривая 802) достигает порога загрязненности для регенерации датчика ТЧ (метка 806). Порог загрязненности может представлять собой порог, при котором может быть нужна регенерация датчика. В момент t1 может быть запущена регенерация датчика ТЧ, как раскрыто выше. Вкратце, контроллер может замкнуть выключатель в электрической цепи для подачи напряжения на нагревательные элементы, сформированные, например, на протяжении внутренней поверхности центрального элемента. Кроме того, датчик ТЧ может не работать в режиме накапливания ТЧ, то есть контроллер может не подавать какое-либо напряжение на электроды датчика.
Таким образом, между t1 и t2 может происходить регенерация датчика ТЧ путем включения электрической цепи для регенерации. В момент t2 температура датчика ТЧ может быть достаточно низкой, поэтому он может начать накапливать сажу и продолжить ее накопление между t2 и t3 (цикл регенерации ФТЧДД), например. В период между t2 и t3 скопление сажи в ФТЧДД продолжает расти (кривая 804). При этом в момент t3 скопление сажи в ФТЧДД (кривая 804) достигает порога скопления сажи для регенерации ФТЧДД (метка 808). Между t3 и t4 может происходить регенерация ФТЧДД для выжигания сажи, осевшей в ФТЧДД. Далее, в момент t4, можно сравнить частоту регенерации датчика ТЧ с предыдущим результатом оценки частоты регенерации датчика ТЧ. Если частота регенерации датчика ТЧ осталась аналогичной частоте в предыдущих циклах, можно установить отсутствие течи в ФТЧДД. Таким образом, по выходным сигналам датчика ТЧ можно контролировать техническое состояние ФТЧДД и диагностировать его на наличие течей.
Между t5 и t6 показан еще один цикл ФТЧДД. В этом случае между t5 и t6 скопление сажи на ФТЧДД постепенно растет (кривая 804). В этот период может происходить контроль скопления сажи на датчике ТЧ (кривая 802). Как видно из кривой 802, датчик ТЧ проходит несколько циклов регенерации, как раскрыто выше. При этом частота регенерации датчика ТЧ возросла почти вдвое (кривая 802). Увеличение частоты регенерации датчика ТЧ может указывать на то, что исходящий поток отработавших газов содержит большее количество твердых частиц, чем при нормальном функционировании ФТЧДД. Поэтому в момент t6 может быть указано наличие течи в ФТЧДД.
Так можно повысить достоверность измерения содержания ТЧ в отработавших газах и, тем самым, определять скопление сажи в ФТЧДД. Это повышает эффективность операций регенерации фильтра. Кроме того, обеспечив возможность более достоверной диагностики ФТЧДД в выпускной системе, можно улучшить показатели в части соблюдения нормативов выбросов. Это позволяет снизить высокие затраты по гарантийным обязательствам на замену работоспособных фильтров твердых частиц и увеличить срок службы компонентов выпускной системы.
Таким образом, отделение положительных и отрицательных электродов датчика ТЧ друг от друга зазором и формирование электродов на разных цилиндрических поверхностях датчика ТЧ обеспечивает возможность образования электростатических полей от края до края зазора, перпендикулярных каждой из указанных цилиндрических поверхностей. Технический эффект, достигаемый разделением электродов и созданием электростатических полей, расположенных перпендикулярно в зазоре между электродами, состоит в том, что электростатические поля, образующиеся в зазоре, могут быть более однородными, что увеличивает улавливание сажи. Улучшение накопления сажи позволяет увеличить чувствительность датчика ТЧ и, тем самым, достоверность и надежность измерения количества ТЧ, выходящих из ФТЧДД. В результате, можно повысить оперативность и эффективность выявления течей и ухудшения характеристик ФТЧДД, а также качество выбросов отработавших газов.
Раскрытые выше системы и способы относятся к датчику твердых частиц, содержащему: наружную неперфорированную трубку с множеством отрицательных электродов на протяжении внутренней поверхности, центральный перфорированный элемент с множеством положительных электродов на протяжении наружной поверхности указанного центрального элемента, при этом указанный центральный элемент расположен внутри указанной наружной трубки, и внутреннюю трубку, присоединенную к центральному элементу, при этом наружная трубка, центральный элемент и внутренняя трубка имеют общую ось. В первом примере датчика твердых частиц датчик может дополнительно или альтернативно отличаться тем, что центральный элемент содержит цепь регенерации, соединенную с внутренней поверхностью центрального элемента, для нагревания центрального элемента, причем центральный элемент содержит множество отверстий, при этом множество отверстий проходит и через наружную поверхность, и через внутреннюю поверхность центрального элемента. Второй пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый пример и отличается тем, что диаметр внутренней трубки меньше и диаметра наружной трубки, и диаметра центрального элемента. Третий пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый и (или) второй примеры и отличается тем, что множество положительных электродов обращено к множеству отрицательных электродов и отделено от множества отрицательных электродов зазором. Четвертый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по третий и отличается тем, что множество отрицательных электродов распределено на протяжении внутренней поверхности наружной трубки с первым шагом, причем множество положительных электродов распределено на протяжении наружной поверхности центрального элемента со вторым шагом, при этом множество отверстий центрального элемента расположено в промежутках между множеством положительных электродов. Пятый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый и отличается тем, что первый шаг по существу равен второму шагу. Шестой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый и отличается тем, что первый шаг отличен от второго шага. Седьмой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый и дополнительно отличается тем, что внутренняя трубка содержит первый участок и второй участок, причем первый участок расположен в пределах наружной трубки, а второй участок выходит из наружной трубки в выпускную трубу, при этом центральный элемент прикреплен к внутренней трубке на первом участке внутренней трубки. Восьмой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по седьмой и отличается тем, что второй участок содержит вход, выполненный с возможностью пропуска через него отработавших газов из выпускной трубы в датчик твердых частиц в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускной трубе, и пропускания их от второго участка к первому участку, центральному элементу и зазору, при этом отработавшие газы текут от центрального элемента в зазор через множество отверстий. Девятый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по восьмой и отличается тем, что наружная трубка содержит выходные отверстия, выполненные с возможностью направления отработавших газов из датчика твердых частиц в выпускную трубу в направлении, перпендикулярном и направлению потока отработавших газов в выпускной трубе, и направлению поступления отработавших газов в датчик твердых частиц через указанный вход.
Раскрытые выше системы и способы также относятся к способу обнаружения твердых частиц, в системе датчика твердых частиц, при этом способ содержит шаги, на которых: пропускают часть отработавших газов из области ниже по потоку от фильтра твердых частиц в датчик через вход внутренней трубки в направлении, противоположном потоку отработавших газов в выпускной трубе, направляют указанную часть отработавших газов в пространство между электродами датчика через множество отверстий внутренней трубки, при этом множество отверстий расположено на удалении от входа внутренней трубки, накапливают твердые частицы из указанной части отработавших газов в указанном пространстве между электродами датчика, направляют указанную часть отработавших газов из датчика через выходные отверстия, расположенные на наружной трубке, в направлении, перпендикулярном и потоку отработавших газов в выпускной трубе, и направлению потока части отработавших газов в датчик через указанный вход. В первом примере способ может, дополнительно или альтернативно, отличаться тем, что электроды датчика включают в себя множество положительных электродов, сформированное на наружной поверхности внутренней трубки, и множество отрицательных электродов, сформированное на внутренней поверхности наружной трубки, при этом внутренняя трубка расположена внутри наружной трубки и отделена от нее указанным пространством. Второй пример способа необязательно включает в себя первый пример и также содержит шаг, на котором определяют загрязненность электродов датчика по току, генерируемому в электродах датчика, и дополнительно содержит шаг, на котором регенерируют электроды датчика путем нагрева электрических элементов, сформированных на внутренней поверхности внутренней трубки, когда загрязненность электродов датчика выше пороговой.
Раскрытые выше системы и способы относятся к датчику твердых частиц, содержащему отрицательные электроды, сформированные с равным шагом на первом цилиндрическом элементе, положительные электроды, сформированные с равным шагом на втором цилиндрическом элементе, при этом положительные электроды отделены от отрицательных электродов зазором и обращены к отрицательным электродам, и нагревательные элементы, сформированные на втором элементе, при этом положительные электроды и нагревательные элементы сформированы на разных поверхностях указанного второго элемента. В первом примере датчик твердых частиц может, дополнительно или альтернативно, отличаться тем, что указанный второй элемент расположен соосно в пределах первого элемента. Второй пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый пример и отличается тем, что указанный второй элемент содержит перфорированный участок, при этом перфорированный участок содержит положительные электроды, указанные нагревательные элементы и множество отверстий, причем положительные электроды сформированы на наружной поверхности перфорированного участка, нагревательные элементы сформированы на внутренней поверхности перфорированного участка, а множество отверстий рассредоточено между положительными электродами и нагревательными элементами. Третий пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый и (или) второй примеры и отличается тем, что указанный второй элемент также содержит неперфорированный участок, при этом неперфорированный участок отличен от перфорированного участка, причем неперфорированный участок соосен перфорированному участку и меньше его в диаметре. Четвертый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по третий и отличается тем, что неперфорированный участок содержит вход, выполненный с возможностью пропуска отработавших газов в датчик и направления их потока от неперфорированного участка к перфорированному участку и из него в указанный зазор через множество отверстий. Пятый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый и дополнительно содержит контроллер с машиночитаемыми командами в долговременной памяти для накапливания твердых частиц из отработавших газов в зазоре путем подачи положительного напряжения на положительные электроды и отрицательного напряжения на отрицательные электроды, определения загрязненности датчика по току, генерируемому между положительными электродами и отрицательными электродами, и, если загрязненность превышает первый порог, регенерации датчика путем подачи напряжения на нагревательные элементы до тех пор, пока скопление сажи не станет ниже второго порога, при этом второй порог ниже первого порога. Шестой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый и отличается тем, что первый элемент содержит выходные отверстия, выполненные с возможностью выпуска отработавших газов из датчика.
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 настоящем описании способы и алгоритмы управления можно хранить в виде исполняемых команд в долговременной памяти и могут реализовываться системой управления, содержащей контроллер, во взаимодействии с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами системы двигателя. 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, при этом раскрытые действия реализуют путем выполнения команд, содержащихся в системе, содержащей вышеупомянутые технические средства в составе двигателя, взаимодействующие 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.