Датчик твердых частиц (варианты) и способ измерения количества твердых частиц в отработавших газах
SOLID PARTICLES SENSOR (VERSIONS) AND METHOD OF MEASURING AMOUNT OF SOLID PARTICLES IN EXHAUST GASES

Область изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к проектированию и использованию датчиков твердых частиц ТЧ (РМ, particle matter) резистивного типа в потоке отработавших газов.
Уровень техники
Сгорание дизельного топлива может сопровождаться образованием выбросов, в том числе, твердых частиц ТЧ (РМ). Твердые частицы могут содержать дизельную сажу и аэрозоли, такие, как частицы золы, металлические абразивные частицы, сульфаты и силикаты. При попадании в атмосферу, ТЧ (РМ) могут принимать форму отдельных частиц или образовывать агрегированные цепочки, при этом большинство из них находится в невидимом суб-микрометровом диапазоне около 100 нанометров. Были разработаны различные технологии обнаружения и фильтрации ТЧ (РМ) в отработавших газах до попадания отработавших газов в атмосферу.
Например, в транспортных средствах, содержащих двигатели внутреннего сгорания, могут быть использованы датчики сажи, упоминаемые также, как датчики ТЧ (РМ). Датчик ТЧ (РМ) может быть расположен перед и/или после дизельного сажевого фильтра ДСФ (DPF, diesel particulate filter) по ходу потока, и может использоваться для определения количества накопленных на фильтре ТЧ (РМ) и диагностики работы ДСФ (DPF). Обычно датчик ТЧ (РМ) может определять количество накопленных твердых частиц или сажи на основе корреляции между измеренным изменением электропроводности (или сопротивления) между парой тонких электродов, расположенных на планарной поверхности подложки датчика и количеством ТЧ (РМ), осажденных между измеряемыми электродами. Более конкретно, измеренная проводимость обеспечивает измерение количества накопленной сажи.
Однако, в подобных датчиках ТЧ (РМ) лишь небольшая часть ТЧ (РМ) в поступающих отработавших газах накапливается на электродах, выполненных на поверхности датчика, что приводит к низкой чувствительности датчиков. Кроме того, даже та часть ТЧ (РМ), которая накапливается на поверхности, не может быть равномерной ввиду отклонений в распределении потока по поверхности датчика. Неравномерное осаждение ТЧ (РМ) на поверхности датчика может дополнительно усугублять проблему низкой чувствительности датчика.
Авторы настоящего изобретения осознают вышеупомянутые недостатки, и разработали подход, по меньшей мере, к частичному устранению недостатков. В одном из примеров, вышеупомянутые недостатки могут быть устранены посредством использования датчика твердых частиц, содержащего пару пленарных гребенчатых электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и выступающих из поверхности датчика ТЧ (РМ), и множество выступающих направляющих потока, расположенных между парой пленарных гребенчатых электродов. В данном случае, направляющие потока могут содержать равноотстоящие блоки, выполненные между парами пластин гребенчатых электродов, причем расстояние между блоками меньше, чем расстояние между парами пластин пленарных гребенчатых электродов. Таким образом, за счет предусмотренных выступающих электродов и дополнительно предусмотренных направляющих потока между электродами, одиночный мостик сажи может быть разделен на множество мостиков сажи, за счет чего увеличивается площадь покрытия поверхности ТЧ (РМ) на поверхности датчика и обеспечивается равномерное распределение мостиков сажи на поверхности датчика.
В качестве одного из примеров, когда мостик сажи, образуемый между электродами, встречает направляющую потока, мостик сажи в процессе формирования и роста может разветвляться для обхода блока, и образовывать две ветви мостика сажи. Таким образом, посредством разветвления мостиков сажи на каждой из направляющих потока, обеспечивается возможность роста мостиков сажи на большей части площади поверхности датчика и дополнительно обеспечивается равномерное распределение сажи на поверхности датчика. Следовательно, благодаря расположению направляющих потока среди электродов в шахматном порядке, мостики сажи могут накапливаться вдоль множества путей и, соответственно, более равномерно по всей поверхности датчика. В целом, данные характеристики датчика могут способствовать более точным выходным данным датчика ТЧ (РМ), тем самым повышая точность оценки содержания твердых частиц на сажевом фильтре.
Следует понимать, что приведенное выше краткое описание представлено лишь для ознакомления в упрощенном виде с набором идей, более подробно раскрытых в подробном описании. Оно не предназначено для определения ключевых или обязательных признаков истребуемого объема изобретения, объем которого определен исключительно формулой изобретения, следующей за подробным описанием. Кроме того, истребуемый объем изобретения не ограничен вариантами осуществления, в которых устранены недостатки, указанные выше или в любой части настоящего документа.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено схематическое изображение двигателя и соответствующего датчика твердых частиц ТЧ (РМ), расположенного в потоке отработавших газов.
На фиг. 2А - 2D представлены увеличенные изображения датчика ТЧ (РМ), содержащего выступающие электроды и расположенные между ними направляющие потока.
На фиг. 3 представлены множественные ветви мостиков сажи, образованные на каждом из блоков направляющих потока.
На фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ разделения поступающих потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика ТЧ (РМ).
На фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ осуществления регенерации датчика ТЧ (РМ).
На фиг. 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ диагностики утечек в сажевом фильтре, расположенном перед датчиком ТЧ (РМ) по ходу потока.
На фиг. 7 представлен пример взаимосвязи между количеством сажи на датчике ТЧ (РМ), общей длиной сажевых мостиков, и количеством накопленной сажи на сажевом фильтре.
Подробное описание
Приведенное ниже описание относится к системам и способам для измерения количества твердых частиц ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов системы двигателя, такой, как система двигателя, показанная на фиг. 1. Датчик ТЧ (РМ), расположенный в выпускном канале системы двигателя, может содержать пару выступающих гребенчатых электродов, и дополнительно может содержать множество выступающих направляющих потока, расположенных между чередующимися парами электродов, как показано на фиг. 2А - 2D. По существу, направляющие потока могут содержать равноотстоящие блоки, расположенные между парами электродов. ТЧ (РМ) или сажа, попадающая на датчик ТЧ (РМ), могут накапливаться на выступающих электродах (а не на блоках, например), образуя потоки ТЧ (РМ) или мостики сажи. Тем не менее, каждый блок направляющей потока может препятствовать образованию мостика сажи, и дополнительно разделять мостик сажи на несколько ветвей, как показано на фиг. 3. Контроллер может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, такого как алгоритм, представленный на фиг. 4, для разделения поступающих потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика. Кроме того, контроллер может периодически осуществлять очистку датчика ТЧ (РМ) (как видно из способа, представленного на фиг. 5) для обеспечения непрерывного обнаружения ТЧ (РМ) и осуществления диагностики сажевого фильтра, расположенного перед датчиком ТЧ (РМ) по ходу потока, на основе выходных данных датчика ТЧ (РМ) (как видно из способа, представленного на фиг. 6). Пример взаимосвязи между количеством сажи на датчике ТЧ (РМ), общей длиной мостиков сажи, и количеством сажи на сажевом фильтре представлен на фиг. 7. Таким образом, посредством разделения мостиков сажи на каждом блоке, мостики сажи могут образовываться на большей площади поверхности датчика, и дополнительно может быть обеспечено равномерное распределение сажи на поверхности датчика. В целом, данные характеристики датчика могут обеспечивать более точные выходные данные датчика ТЧ (РМ), тем самым повышая точность оценки содержания твердых частиц на сажевом фильтре. Кроме того, посредством обеспечения более точной диагностики сажевого фильтра, может быть улучшено соответствие выбросов отработавших газов нормативам. По существу, такой подход способствует снижению гарантийных расходов по замене работоспособных сажевых фильтров, а также снижению вредности выбросов отработавших газов и увеличению срока службы компонентов выпускной системы.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение системы 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства содержит систему 8 двигателя. Система 8 двигателя может содержать двигатель 10 со множеством цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впускную систему 23 двигателя и выпускную систему 25 двигателя. Впускная система 23 двигателя содержит дроссель 62, выполненный в соединении по текучей среде со впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выпускная система 25 двигателя содержит выпускной коллектор 48, в конечном итоге ведущий к выпускному каналу 35, который направляет отработавшие газы в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен во впускном канале 42 после нагнетательного устройства, такого как турбонагнетатель (не показан), по ходу потока, и перед выходным охладителем нагнетаемого воздуха (не показан) по ходу потока. Выходной охладитель нагнетаемого воздуха, при наличии, может быть выполнен с возможностью снижения температуры впускного воздуха, сжимаемого нагнетательным устройством.
Выпускная система 25 двигателя может содержать одно или несколько устройств 70 снижения выбросов, которые могут быть установлены непосредственно в выпускной системе. К одному или нескольким устройствам снижения выбросов могут относиться трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, фильтр обедненных NOx, каталитический нейтрализатор SCR, и так далее. Выпускная система 25 двигателя может дополнительно содержать дизельный сажевый фильтр ДСФ (DPF) 102, временно отфильтровывающий ТЧ (РМ) из поступающих газов, и расположенный перед устройством 70 снижения выбросов по ходу потока. В одном из примеров, как показано, ДСФ (DPF) 102 является системой, задерживающей дизельные твердые частицы. ДСФ (DPF) 102 может иметь монолитную структуру, выполненную, например, из кордиерита или карбида кремния, с множеством каналов внутри для отфильтровывания твердых частиц из дизельных отработавших газов. Отработавшие газы, из которых отфильтрованы ТЧ (РМ), после прохождения через ДСФ (DPF) 102 могут быть подвержены измерениям датчиком 106 ТЧ (РМ), дальнейшей обработке устройством 70 снижения выбросов, и выпущены в атмосферу через выпускной канал 35. В показанном примере датчик 106 ТЧ (РМ) является резистивным датчиком, оценивающим эффективность фильтрации ДСФ (DPF) на основе изменения проводимости, измеряемой между электродами датчика ТЧ (РМ). Схематическое изображение 200 датчика 106 ТЧ (РМ) представлено на фиг. 2А - 2D, как более подробно описано ниже.
Система 6 транспортного средства может дополнительно содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана принимающей информацию от множества датчиков 16 (различные примеры которых раскрыты в настоящей заявке) и посылающей управляющие сигналы множеству исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых раскрыты в настоящей заявке). В качестве одного из примеров, в число датчиков 16 могут входить датчик 126 расхода отработавших газов, выполненный для измерения величины потока отработавших газов через выпускной канал 35, датчик отработавших газов (расположенный в выпускном коллекторе 48), датчик 128 температуры, датчик 129 давления (расположенный после устройства 70 снижения выбросов по ходу потока) и датчик 106 ТЧ (РМ). Другие датчики, такие как датчик дополнительного давления, температуры, воздушно-топливного отношения, расхода и состава отработавших газов могут быть предусмотрены в различных местах системы 6 транспортного средства. В качестве другого примера, в число исполнительных механизмов могут входить топливные инжекторы 66, дроссель 62, клапаны ДСФ (DPF), регулирующие регенерацию фильтра (не показаны), электропривод, регулирующий открытие датчика ТЧ (РМ) (например, регулирующий открытие клапана или заслонки на входе датчика ТЧ (РМ)), и так далее. В качестве еще одного примера, в число исполнительных механизмов могут входить переключатели, соединенные с измерительной схемой ТЧ (РМ). Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер 12 может быть выполнен с сохраненными в долговременной памяти машиночитаемыми командами. Контроллер 12 получает сигналы от различных датчиков, показанных на фиг. 1, 2А - 2D и 3, обрабатывает сигналы и задействует различные исполнительные механизмы, показанные на фиг. 1, 2А - 2D и 3, для регулирования работы двигателя на основе получаемых сигналов и команд, сохраненных в памяти контроллера. Примеры алгоритмов описаны в настоящей заявке со ссылкой на фиг. 4-6.
Обратимся теперь к фиг. 2А - 2D, на которых представлены схематические изображения варианта осуществления датчика 202 твердых частиц ТЧ (РМ) (такого, как датчик 106 ТЧ (РМ) на фиг. 1). Более конкретно, на фиг. 2А представлено увеличенное изображение датчика ТЧ (РМ), содержащего пару гребенчатых электродов, выступающих из поверхности датчика, и дополнительно содержащего множество направляющих потока, расположенных в их пределах. На фиг. 2В представлено увеличенное изображение участка 250 датчика 202 ТЧ (РМ). На фиг. 2С представлен вид сбоку части датчика 202 ТЧ (РМ). На фиг. 2D представлен вид сбоку альтернативного варианта осуществления датчика 202 ТЧ (РМ). Датчик 202 ТЧ (РМ) может быть выполнен с возможностью измерения массы и/или концентрации ТЧ (РМ) в отработавших газах и, по существу, может быть соединен с выпускным каналом (например таким, как выпускной канал 35, представленный на фиг. 1) перед дизельным сажевым фильтром (таким, как ДСФ (DPF), представленный на фиг. 1) по ходу потока, или после него.
Датчик 202 ТЧ (РМ) может быть датчиком ТЧ (РМ) резистивного типа и может быть расположен внутри выпускного канала, таким образом, что отработавшие газы проходят от места, расположенного после дизельного сажевого фильтра по ходу потока, в сторону датчика 202 ТЧ (РМ), как показано стрелками 220. Датчик 202 ТЧ (РМ) может содержать пару пленарных непрерывных гребенчатых электродов 201 и 203, образующих структуру «гребенки», расположенных на некотором расстоянии друг от друга. По существу, датчик 202 ТЧ (РМ) может также содержать защитную трубку (не показана), покрывающую электроды, и дополнительно содержать каналы (не показаны), по которым отработавшие газы проходят по направлению к электродам, как показано стрелками 220. Электроды 201 и 203, как правило, могут быть изготовлены из таких металлов, как платина, золото, осмий, родий, иридий, рутений, алюминий, титан, цирконий и подобные, а также из оксидов, цементов, сплавов и сочетаний, содержащих, по меньшей мере, один из вышеупомянутых металлов. Электроды 201 и 203 выполняют на подложке 208 датчика 202 ТЧ (РМ), которую, как правило, изготавливают из материалов с высокими электроизоляционными свойствами. К возможным вариантам материалов с высокими электроизоляционными свойствами могут относиться оксиды, такие, как оксид алюминия, циркония, иттрия, лантана, кремния и сочетания, содержащие, по меньшей мере, один из вышеупомянутых оксидов или любой подобный материал, способный препятствовать электрической связи и обеспечивать физическую защиту паре гребенчатых электродов. Гребенчатые электроды могут дополнительно содержать множество «пластин» 212 и 214, проходящих на определенную длину в подложку 208 датчика (вдоль оси X). Расстояние между «пластинами» гребенки двух электродов, как правило, может быть в диапазоне от 10 микрометров до 100 микрометров, причем ширина каждого отдельного «зубца» приблизительно одинакова, хотя последнее и не является необходимым. В данном случае пары пластин гребенчатых электродов могут быть расположены перпендикулярно потоку отработавших газов (стрелки 220).
По существу, подложка датчика ТЧ (РМ) может содержать нагревательный элемент (не показан), и датчик ТЧ (РМ) может быть регенерирован посредством нагревания подложки датчика нагревательным элементом для сжигания частиц сажи, накопившихся на поверхности датчика 202 ТЧ (РМ). Посредством периодической регенерации поверхности датчика 202 ТЧ (РМ), обеспечивается возможность его возврата в состояние, более подходящие для накопления сажи в отработавших газах. Кроме того, при регенерации датчика может быть получена точная информация о количестве сажи в отработавших газах, которая может быть передана контроллеру.
Датчик 202 ТЧ (РМ), содержащий упомянутые гребенчатые электроды, может быть установлен в выпускной трубе таким образом, чтобы чувствительный участок датчика, содержащий гребенчатые электроды, проходил в выпускную трубу для определения сажи или ТЧ (РМ) в поступающих отработавших газах. Электрод 201 может быть соединен с положительной клеммой источника 216 напряжения электрической цепи 236 посредством соединительного провода 232. Электрод 201 может быть соединен с измерительным устройством 218 посредством соединительного провода 234 и дополнительно может быть соединен с отрицательной клеммой источника 216 напряжения электрической цепи 236. Таким образом, пары пластин попеременно соединены с положительной и отрицательной клеммами источника 216 напряжения. Соединительные провода 232 и 234, источник 216 напряжения и измерительное устройство 218 являются частью электрической цепи 236 и расположены снаружи выпускного канала (в качестве одного из примеров, на расстоянии меньше 1 метра). Кроме того, регулирование источника 216 напряжения и измерительного устройства 218 электрической цепи 236 может осуществляться контроллером, таким как контроллер 12 на фиг. 1, таким образом, что твердые частицы, накопившиеся на датчике ТЧ (РМ), могут быть использованы, например, для диагностики утечек в ДСФ (DPF). По существу, измерительное устройство 218 может быть любым устройством, способным считывать данные об изменении сопротивления между электродами, например, вольтметром. По мере накопления ТЧ (РМ) или частиц сажи между электродами, сопротивление между электродами может начать снижаться, о чем свидетельствует повышение напряжения, измеряемого измерительным устройством 218. Контроллер 12 может иметь возможность определения сопротивления между электродами как функции напряжения, измеряемого измерительным устройством 218, и вычисления соответствующего количества ТЧ (РМ) или сажи на пленарных электродах датчика 202 ТЧ (РМ). Посредством мониторинга количества ТЧ (РМ) на датчике 202 ТЧ (РМ), может быть определено количество сажи в отработавших газах после ДСФ (DPF) по ходу потока, которое может быть использовано для диагностики и мониторинга состояния и функционирования ДСФ (DPF). В некоторых примерах контроллер 12 может осуществлять регулирование источника напряжения для подачи постоянного напряжения на электроды датчиков ТЧ (РМ). Если в электрической цепи предусмотрены переключатели, контроллер 12 может определять закрытие и открытие переключателей на основе состояния датчика ТЧ (РМ). Например, при накапливании ТЧ (РМ) на датчике ТЧ (РМ), переключатели в схеме могут быть отрегулированы таким образом, чтобы к электродам датчика было приложено напряжение. Тем не менее, при регенерации датчика ТЧ (РМ) переключатели, соединяющие электроды с источником напряжения, могут быть открыты. Кроме того, контроллером может быть включена нагревательная схема.
По существу, электрод 203 может содержать пленарный не гребенчатый участок 206 электрода, и дополнительно может содержать несколько пластин 212, прилегающих к участку 206 электроде. Аналогично, электрод 201 может содержать планерный не гребенчатый участок 204 электродов, и дополнительно может содержать несколько пластин 214, прилегающих к участку 204 электродов. В данном случае пластины 212 и 214 являются планерными и гребенчатыми с некоторым интервалом вдоль подложки 208 датчике, образуя структуру "гребенки". Структура "гребенки" гребенчатых электродов может покрывать участок планарной подложки 208, контактирующей с отработавшими газами. Далее в нестоящей заявке, электрод 201 может упоминаться как положительный электрод, и может дополнительно содержать как не гребенчатый участок 204 электрода, тек и гребенчатый учесток или пластины 212. Аналогично, электрод 203 может упоминаться как отрицательный электрод, и может дополнительно содержать как не гребенчатый учесток 206 электроде, тек и гребенчатый учесток или пластины 212. Положительный электрод и отрицательные гребенчатые пленарные электроды датчика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга, и могут выступать из поверхности датчика ТЧ (РМ), что более подробно будет объяснено со ссылкой на фиг. 2В.
Гребенчатый участок отрицательного электрода или пластин 212 (в качестве не ограничивающего примера показаны девять пластин), проходящих некоторое расстояние Ln по подложке 208 датчика, показан стрелкой 222 и дополнительно отделен от пластин 214 зазором. Аналогичным образом, пластины 214 (в качестве не ограничивающего примера показаны девять пластин), могут проходить некоторое расстояние Lp по подложке 208 датчика и показаны стрелкой 224. Кроме того, датчик 202 ТЧ (РМ) содержит множество выступающих направляющих 205 потока, расположенных между парой пленарных гребенчатых электродов. В данном случае, направляющие потока 205 могут содержать равноотстоящие блоки 210, выполненные между парами пластин 212 и 214 гребенчатых электродов 201 и 203. Более того, блоки 210 могут быть расположены в шахматном порядке между чередующимися парами пластин 212 и 214 гребенчатых электродов. Не фиг. 2В участок 250 датчике 202 ТЧ (РМ) увеличен для наглядности. В денном случае, блоки могут быть расположены между пластинами, благодаря чему блоки непосредственно контактируют или соприкасаются с каждой из пластин 212 и 214. Кроме того, блоки, по существу, могут быть отделены друг от друга пространством, в отсутствии других компонентов между ними. Блоки могут состоять из изолирующего и не проводящего материале.
Обратимся теперь к фиг. 2В, не которой представлено увеличенное изображение 255 участке 250 датчике 202 ТЧ (РМ). В денном случае, представлен учесток подложки 208, содержащий участки пластин 212 и 214 (представлены четыре пластины с чередующимися положительными и отрицательными потенциалами) и три блока 210. Направление потока отработавших газов, поступающего на участок 250, показано стрелками 220. В качестве иллюстрации, три пары положительных и отрицательных пластин, образованных четырьмя пластинами, показанными на фиг. 2В, обозначены как  пара 1, пара 2 и пара 3.
В отличие от тонких электродов, гребенчатые электроды, обычно используемые в датчиках ТЧ (РМ), а именно положительный электрод 201 и отрицательный электрод 203 датчика 202 ТЧ (РМ), могут выступать над поверхностью подложки 208 датчика на некоторую высоту, как показано стрелками 238. В некоторых примерах вариантов осуществления высота, на которую выступает положительный электрод, может быть такой же, на которую над поверхностью датчика выступает отрицательный электрод. В других примерах, высота, на которую выступают электроды, может отличаться у положительного и отрицательного электродов. В данном случае, пластины 212 и 214 электродов показаны выступающими над верхней поверхностью подложки 208 на некоторую высоту (обозначенную стрелками 238). Высота пластин (обозначенная стрелками 238) может быть, например, намного меньше длины (Lp и Ln, показанные на фиг. 2А) пластин. Кроме того, пластины 212 и 214 могут быть разнесены на некоторое расстояние, показанное стрелкой 268. Как описано ранее, расстояние между «пластинами» гребенки двух электродов, как правило, может находиться в диапазоне от 10 микрометров до 100 микрометров. Высота пластин может быть, например, намного меньше расстояния между пластинами.
Как описано ранее, датчик 202 ТЧ (РМ) может содержать множество выступающих направляющих 205 потока (как видно из фиг. 2А), расположенных между парой пленарных гребенчатых электродов. Направляющие потока 205 содержат равноотстоящие блоки 210, расположенные между парами пластин 212 и 214 гребенчатых электродов 201 и 203, разнесенные на некоторое расстояние, обозначенное стрелкой 230. В данном случае, расстояние между блоками (обозначенное стрелкой 230) может быть меньше, чем расстояние между парами пластин (обозначенное стрелкой 268). Кроме того, при расположении между пластинами гребенчатых электродов, блоки 210 могут соприкасаться с обоими пластинами. Таким образом, ширина блоков может быть равна расстоянию между пластинами электродов.
Каждый блок 210 может иметь высоту h (обозначенную стрелкой 228) и длину I (обозначенную стрелкой 226). Высота h каждого из блоков может быть больше высоты (обозначенной стрелкой 238) каждой из пары пластин гребенчатых электродов. Другими словами, высота блоков, например, может быть больше высоты, на которую электроды выступают над поверхностью датчика. На увеличенном изображении 255 участка 250 датчика 202 ТЧ (РМ) показаны три блока, расположенные между парами пластин. В данном случае, два из трех блоков 210 между парой 1 пластин разнесены на некоторое расстояние (как показано стрелкой 230). Другой одиночный блок 210 расположен между парой 3 пластин 212 и 214. В данном случае, между парой 2 пластин не имеется блоков. Таким образом, блоки расположены в шахматном порядке между чередующимися парами пластин гребенчатых электродов. Более того, блок 210, расположенный между парой 3, расположен таким образом, что перекрытие, например, с блоками, расположенными между парой 1, меньше порогового значения. В одном из примеров, блок между парой 3 расположен на участке между элементами пары 3, который перекрывается с пространством между блоками, расположенными в паре 1. В таком примере, между блоками, расположенными в паре 3, и блоками, расположенными в паре 1, перекрытия нет. Таким образом, каждая чередующаяся пара пластин содержит блоки, расположенные с перекрытием, которое меньше порогового значения, с блоками в предшествующих гребенчатых парах пластин. В данном случае, пара 1 может быть предшествующей чередующейся парой для пары 3. В других примерах, пара 3 может быть предшествующей чередующейся парой для пары 1. Таким образом, при шахматном расположении блоков на поверхности датчика ТЧ (РМ) с перекрытием, которое меньше порогового значения, с блоками, расположенными вдоль гребенчатых пар, существует пространство, например, для накопления и равномерного распределения сажи вокруг блоков.
Блоки 210 расположены таким образом, что они равноудалены, например, от их ближайших соседних элементов. По существу, расстояние между блоками (обозначенное стрелкой 230) может быть меньше, чем расстояние между парами пластин гребенчатых электродов (обозначенное стрелкой 268). В данном случае, ширина блока 210 может быть равна расстоянию между пластинами гребенчатых электродов.
Частицы сажи или ТЧ (РМ) в отработавших газах, как правило, заряжены. Благодаря электростатическому притяжению между заряженными ТЧ (РМ) и гребенчатыми электродами, ТЧ (РМ) оседают на электродах и образуют мостики сажи на гребенчатых электродах. Два примера таких мостиков 252 и 260 сажи показаны на фиг. 2В. В данном случае, пластины 214 соединены с положительной клеммой и, следовательно, имеют положительный потенциал, а пластины 212 соединены с отрицательной клеммой и, следовательно, имеют отрицательный потенциал. Электрическое поле, образуемое между гребенчатыми электродами, более конкретно, между пластинами 212 и 214, способствует оседанию сажи или ТЧ (РМ) на электродах. Тем не менее, ввиду того, что упомянутые блоки не соединены ни с одним источником напряжения, сажа не накапливается на блоках. Мостики сажи, как правило, обходят блоки, расположенные между парами пластин и, например, проходят по направлению к заряженным электродам. Мостик 252 сажи начинает образовываться на паре 3 пластин, и когда он достигает пары 1, мостик 252 сажи раздваивается во избежание нарастания на блоке. При обходе блока мостик 252 сажи образует две ветви и продолжает увеличиваться, например, на паре 1. Аналогичным образом, мостик 260 сажи начинает образовываться на паре 3 пластин, и когда он достигает пары 1, мостик 260 сажи раздваивается во избежание нарастания на блоке. При обходе блока мостик 260 сажи образует две ветви и продолжает увеличиваться, например, на паре 1.
Обратимся теперь к фиг. 2С, на которой представлен вид сбоку участка датчика 202 ТЧ (РМ), представленного на фиг. 2А. В данном случае, равноудаленные блоки 276 (такие, как блоки 210 на фиг. 2А - 2В) могут быть расположены среди чередующихся пар положительных электродов 280 (таких, как положительные электроды 201 на фиг. 1) и отрицательных электродов 278 (таких, как отрицательные электроды 203 на фиг. 1), выступающих из поверхности подложки 282 (такой, как подложка 208 на фиг. 2А - 2В). На изображении 275 направление потока отработавших газов показано стрелками 284. Как описано выше, мостики сажи накапливаются среди электродов ввиду электростатического притяжения. Например, мостик 286 сажи содержит ветвь 286А мостика сажи, образуемую на положительном электроде 280. Когда ветвь 286А мостика сажи пересекается с блоком 276, мостик сажи может обходить блок 276 и продолжать нарастать вокруг блока 276, тем самым образуя ветвь 286В мостика сажи. По существу, блок имеет нейтральный заряд и к нему не приложено напряжение. В результате, мостик сажи может не подвергаться никаким силам электростатического взаимодействия, притягивающим его или отталкивающим его от блока. Тем не менее, мостик сажи может испытывать электростатическое притяжение со стороны отрицательного электрода 276, расположенного за блоком. Таким образом, мостик сажи продолжает формироваться вдоль ветви 286В мостика сажи за блоком 276 и достигает отрицательного электрода 278. Мостик сажи не способен обойти блок сверху для того, чтобы достичь отрицательного электрода 278, поскольку, например, высота блока может быть намного больше длины блока. Таким образом, мостик сажи раздваивается и растет вокруг блока в направлении отрицательного электрода.
Как только мостик сажи образует ветвь вокруг блока в направлении отрицательного электрода 278, на него может начать действовать сила электростатического отталкивания от последующего положительного электрода 280, также расположенного, например, вдоль подложки 282 на некотором расстоянии от отрицательного электрода. Мостик сажи может продолжать расти вдоль ветви 286С по направлению к следующему положительному электроду 280. Мостик сажи может достичь другого блока 276. Тем не менее, на блоке 276 ветвь мостика сажи снова может разделиться, и мостик сажи может продолжить расти перед блоком, например, вдоль ветви 286D мостика сажи, до тех пор, пока не достигнет отрицательного электрода 278. Достигнув отрицательного электрода 278, мостик сажи продолжает расти по направлению к положительному электроду 280, расположенному на некотором расстоянии от отрицательного электрода 278 вдоль ветви 286Е мостика сажи.
Чередующееся расположение положительных и отрицательных электродов показано на фиг. 2D. На фиг. 2D представлен вид 295 сбоку участка датчика 202 ТЧ (РМ), представленного на фиг. 2А. В данном случае, равноудаленные блоки 276 (такие, как блоки 210 на фиг. 2А - 2В) могут быть расположены среди всех пар положительных электродов 280 (таких, как положительные электроды 201 на фиг. 1) и отрицательных электродов 278 (таких, как отрицательные электроды 203 на фиг. 1), выступающих из поверхности подложки 282 (такой, как подложка 208 на фиг. 2А - 2В). В данном случае, датчик аналогичен датчику, показанному на фиг 2С, кроме того, что положительные и отрицательные электроды разделены только за счет расположения блоков между ними. Аналогично фиг. 2С, направление потока отработавших газов показано стрелками 284. Как описано выше, мостики сажи накапливаются среди электродов ввиду электростатического притяжения. Например, мостик 286 сажи содержит ветвь 286А мостика сажи, которая образуется на отрицательном электроде 278. Когда ветвь 286А мостика сажи пересекается с блоком 276, мостик сажи может обходить блок 276 и продолжать нарастать вокруг блока 276, тем самым образуя ветвь 286В мостика сажи. По существу, блок имеет нейтральный заряд, и к нему не приложено напряжение. В результате, мостик сажи может не подвергаться никаким силам электростатического взаимодействия, притягивающим его или отталкивающим его от блока. Тем не менее, мостик сажи может испытывать электростатическое отталкивание со стороны положительного электрода 280, расположенного за блоком. Таким образом, мостик сажи продолжает формироваться вдоль ветви 286 В мостика сажи за блоком 276, и достигает положительного электрода 280. Мостик сажи не способен обойти блок сверху для того, чтобы достичь положительного электрода 280, поскольку, например, высота блока может быть намного больше длины блока. Таким образом, мостик сажи раздваивается и растет вокруг блока в направлении положительного электрода.
Достигнув положительного электрода 280, мостик сажи продолжает расти на положительном электроде 280 вдоль ветви 286С мостика сажи. Тем не менее, на блоке 276 ветвь мостика сажи снова может разделиться, и мостик сажи может продолжить расти перед блоком, например, вдоль ветви 286D мостика сажи, до тех пор, пока не достигнет отрицательного электрода 278. Достигнув отрицательного электрода 278, мостик сажи продолжает расти на отрицательном электроде 280 вдоль ветви 286Е мостика сажи.
Кроме того, датчик ТЧ (РМ) может дополнительно содержать контроллер (такой, как контроллер 12 на фиг. 1) с хранящимися в долговременной памяти машиночитаемыми командами для разделения одного потока ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов на множество потоков ТЧ (РМ) на каждом из блоков, расположенном между парами пластин гребенчатых электродов, накапливания ТЧ (РМ) множества потоков ТЧ (РМ) на парах пластин и регенерации датчика ТЧ (РМ), когда количество ТЧ (РМ) между парами пластин достигает порогового значения количества ТЧ (РМ), как подробно раскрыто на фиг. 3 и 4.
Таким образом, пример датчика твердых частиц ТЧ (РМ) может содержать пару пленарных гребенчатых электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и выступающих из поверхности датчика ТЧ (РМ); и множество выступающих направляющих потока, расположенных между парой пленарных гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, направляющие потока датчике ТЧ (РМ) могут содержать равноотстоящие блоки, выполненные между парами пластин гребенчатых электродов, причем расстояние между блоками меньше, чем расстояние между парами пластин пары планерных гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, блоки между чередующимися парами пластин гребенчатых электродов могут также располагаться в шахматном порядке. Дополнительно, или в качестве альтернативы, каждая чередующаяся пере пластин может содержать блоки, выполненные с перекрытием, которое меньше порогового значения, с блоками в предшествующих чередующихся парах пластин. Дополнительно, или в качестве альтернативы, расстояние между блоками между парами пластин может быть меньше расстояния между парами пластин гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, высоте блоков может быть больше высоты каждой из пар пластин гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, перы пластин гребенчатых электродов могут быть расположены перпендикулярно потоку отработавших газов, причем каждая пара пластин поочередно соединена с положительной и отрицательной клеммами источнике напряжения. Дополнительно, или в качестве альтернативы, сеже в потоке отработавших газов может накапливаться между парами пластин гребенчатых электродов, не затрагивая блоки, расположенные между парами пластин. Дополнительно, или в качестве альтернативы, датчик ТЧ (РМ) может дополнительно содержать контроллер с хранящимися в долговременной памяти машиночитаемыми командами для разделения одного потока ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов на множество потоков ТЧ (РМ) на каждом из блоков, расположенном между парами пластин гребенчатых электродов, накапливания ТЧ (РМ) множества потоков ТЧ (РМ) на парах пластин и регенерации датчика ТЧ (РМ), когда количество ТЧ (РМ) между парами пластин достигает порогового значения количества ТЧ (РМ), как подробно раскрыто на фиг. 3 и 4.
Рост мостиков сажи по поверхности датчика ТЧ (РМ) и разделение ветвей мостиков сажи могут быть аналогичными, например, падению шариков в доске Гальтона со штырьками, расположенными по всей доске. Обратимся теперь к фиг. 3, на которой показан схематический вид 300 сверху датчика ТЧ (РМ) с блоками, расположенными в шахматном порядке между гребенчатыми электродами датчика ТЧ (РМ). В данном случае расстановка блоков между чередующимися парами пластин гребенчатых электродов может быть аналогичной расстановке штырьков в доске Гальтона.
Датчик 302 ТЧ (РМ) может быть примером датчика 202 ТЧ (РМ), описанного со ссылкой на фиг. 2А - 2D. По существу, конструкция датчика 302 ТЧ (РМ) может быть аналогична датчику 202 ТЧ (РМ), описанному ранее. Вкратце, датчик 302 ТЧ (РМ) может содержать пару непрерывных гребенчатых пленарных электродов 304 и 306, разделенных зазором, образованным на поверхности датчика. Положительный электрод 306 соединен с положительной клеммой источника 322 напряжения посредством соединительного провода 326, и отрицательный электрод 304 соединен с измерительным устройством 324 и отрицательной клеммой источника 322 напряжения посредством соединительного провода 328. Контроллер, такой, как контроллер 12 на фиг. 1, может осуществлять регулирование цепи 320, содержащей источник напряжения 322 и измерительное устройство 324.
Датчик 302 ТЧ (РМ) может содержать впуск 310 и выпуск 312, расположенные перпендикулярно направлению потока отработавших газов (показан стрелками 318). Впуск 310 может направлять отработавшие газы из места, расположенного после сажевого фильтра в датчике ТЧ (РМ) по ходу потока, главным образом, к чувствительному участку датчика 302 ТЧ (РМ), содержащему гребенчатые электроды и множество направляющих потока. Выпуск 312 может направлять отработавшие газы из датчика 302 ТЧ (РМ) в выхлопную трубу.
Датчик 302 ТЧ (РМ) может также содержать множество равноотстоящих выступов, расположенных в шахматном порядке по поверхности датчика. В одном из примеров, выступы могут быть блоками 308. Блоки 308 могут быть выполнены по поверхности датчика 302 ТЧ (РМ), главным образом, среди пластин гребенчатых электродов и между чередующимися парами гребенчатых электродов. В данном случае, высота каждого из блоков может быть больше высоты каждого из гребенчатых электродов. Кроме того, длина каждого из блоков может быть меньше, чем длина каждого из непрерывных гребенчатых электродов, более конкретно, длины пластин электродов. Аналогично штырькам доски Гальтона, блоки 308 могут быть выполнены в шахматном порядке и вдоль чередующихся пар пластин гребенчатых электродов. В данном случае, обозначения 314 и 315 указывают на чередующиеся пары пластин 304 и 306. Аналогичным образом, обозначения 315 и 316 указывают на чередующиеся пары, так же, как и 316 и 317, и 317 и 319. Блоки 308 расположены среди чередующихся пар гребенчатых электродов в шахматном порядке. В данном случае, блоки 308, расположенные в области пары 314 и пары 315, могут быть установлены таким образом, что блоки в области пары 314 находятся на одной оси с зазорами, образуемыми между блоками 308, расположенными в области пары 315. Аналогичным образом, блоки 308, расположенные в области пары 315 и пары 316, могут быть установлены таким образом, что блоки в области пары 315 находятся на одной оси с зазорами, образуемыми между блоками 308, расположенными в области пары 316. Аналогичным образом, блоки 308, расположенные в области пары 316 и пары 317, могут быть установлены таким образом, что блоки в области пары 317 находятся на одной оси с зазорами, образуемыми между блоками 308, расположенными в области пары 318. Аналогичным образом, блоки 308, расположенные в области пары 317 и пары 319, могут быть установлены таким образом, что блоки в области пары 317 находятся на одной оси с зазорами, образуемыми между блоками 308, расположенными в области пары 319. Такая расстановка блоков в области чередующихся пар пластин электрода может быть аналогична, например, расстановке штырьков на доске Гальтона. Датчик 302 ТЧ (РМ) может дополнительно, или в качестве альтернативы, содержать группу блоков, выполненных ближе к впуску 310, и другую группу блоков, выполненную ближе к выпуску 312 датчика.
Отработавшие газы, поступающие в датчик 302 ТЧ (РМ) могут содержать заряженные частицы сажи или ТЧ (РМ). Эти заряженные частицы сажи или ТЧ (РМ) испытывают электростатическое притяжение по отношению к заряженным электродам датчика ТЧ (РМ) и образуют мостики сажи, как описано выше. В данном случае, отдельный поток ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов может быть разделен на множество потоков ТЧ (РМ) на каждом из блоков, расположенном между парами пластин гребенчатых электродов. Кроме того, потоки ТЧ (РМ) могут оседать на парах пластин гребенчатых электродов. Кроме того, сажа или ТЧ (РМ) в потоках могут, например, накапливаться на парах непрерывных гребенчатых электродов, и не накапливаться на блоках.
Пример 330 потока показан в верхней части изображения 300. Поток 330 может образовываться на впуске 310 датчика 302 ТЧ (РМ) и притягиваться к отрицательному электроду, расположенному близко к впуску, образуя поток 332. В данном случае, поток 332 может быть образован в пространстве между блоками. Когда поток 332 достигает блока в области пары 314, поток 332 может разделяться на два потока 336 и 334, например, для предотвращения нарастания на блоке и для доступа к отрицательному электроду пары 314. Таким образом, один поток 332 может быть разделен на два потока 336 и 334, благодаря чему увеличивается площадь поверхности для оседания сажи. Аналогично, поток 336 может разделяться на потоки 338 и 340 при столкновении с блоком 308 в области пары 315. Аналогичным образом, когда поток 338 достигает блока в области пары 316, поток 338 может разделяться на два потока 342 и 346 для предотвращения нарастания на блоке и для доступа к отрицательному электроду пары 314. Аналогичным образом, когда поток 342 достигает блока в области пары 317, поток 342 может разделяться на два потока 348 и 350, например, для предотвращения нарастания на блоке и для доступа к отрицательному электроду пары 314. Наконец, потоки могут покидать датчик 302 через выпуск 312, как показано стрелками 358. По существу, потоки могут покидать датчик ТЧ (РМ) вдоль пространства между смежными блоками, расположенными на выпуске датчика ТЧ (РМ).
В данном случае, ветви каждого из потоков могут быть «случайным брожением», и поскольку потоки разделяются на множество ветвей, площадь поверхности адсорбции сажи на гребенчатых электродах возрастает. Кроме того, аналогично доске Гальтона, мостики сажи, образующиеся при разделении потоков ТЧ (РМ) на множество потоков в области блоков, расположенных в шахматном порядке, могут обеспечивать равномерное распределение сажи по поверхности датчика ТЧ (РМ). Таким образом, посредством расположения блоков вдоль поверхности электродов, сажевые мостики могут образовываться равномерно по поверхности электрода. Кроме того, накапливание сажи и образование сажевых мостиков между положительным и отрицательным электродами может происходить за более короткий промежуток времени. Контроллер, такой, как контроллер 12 на фиг. 1, может определять количество сажи на датчике ТЧ (РМ) на основе общего количества сажи, накопленной в области множественных ветвей, как описано выше со ссылкой на фиг. 4. Когда количество сажи на датчике ТЧ (РМ) достигает порогового значения, датчик может быть регенерирован, как видно из фиг. 5. Таким образом, датчик ТЧ (РМ) может обнаруживать ТЧ (РМ), поступающие в сажевый фильтр, более точно и, таким образом, осуществлять диагностику утечку в ДСФ (DPF) более надежным образом.
Таким образом, пример датчика твердых частиц ТЧ (РМ) может содержать пару непрерывных гребенчатых электродов, установленных на поверхности датчика, и множество равноотстоящих выступов, расположенных в шахматном порядке по всей поверхности датчика, причем выступающие блоки расположены между чередующимися парами гребенчатых электродов. Дополнительно или в качестве альтернативы, упомянутые выступы могут быть блоками, и высота каждого из блоков может быть больше высоты каждого из гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, длина каждого из блоков может быть меньше, чем длина каждого из гребенчатых электродов. Дополнительно, или в качестве альтернативы, датчик ТЧ (РМ) может содержать контроллер с хранящимися в долговременной памяти машиночитаемыми командами для накапливания сажи в области пары непрерывных гребенчатых электродов и предотвращения накапливания сажи на блоках, определения количества сажи на датчике ТЧ (РМ) на основе значения общего количества сажи, накопленной в области пары гребенчатых электродов и регенерации датчика ТЧ (РМ), если количество сажи превышает пороговое значение.
Обратимся теперь к фиг. 4, демонстрирующей способ 400 для разделения поступающих потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика ТЧ (РМ). Более конкретно, способ содержит определение количества сажи на датчике на основе общей длины мостиков сажи во множестве потоков ТЧ (РМ). Команды по осуществлению способа 400 и других способов, содержащихся в настоящей заявке, могут быть выполнены контроллером в соответствии с инструкциями, хранящимися в памяти контроллера, и в сочетании с сигналами, принимаемыми от датчиков системы двигателя, таких, как вышеописанные датчики на фиг. 1, 2А - 2D и 3. Контроллер может приводить в действие исполнительные механизмы двигателя системы двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии со способами, описанными ниже.
На этапе 402 способ 400 содержит определение условий работы двигателя. Определяемые условия работы двигателя могут содержать, например, скорость вращения двигателя, температуру двигателя, различные воздушно-топливные отношения отработавших газов, различные температуры отработавших газов, количество ТЧ (РМ) на датчике ТЧ (РМ), температуру окружающей среды, время (или расстояние), прошедшее с момента последней регенерации датчика ТЧ (РМ) и ДСФ (DPF), и так далее.
Далее, на этапе 404, способ 400 может содержать разделение поступающих потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ). Кроме того, разделение поступающих потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ) может содержать разделение потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика ТЧ (РМ), на этапе 406, причем множество направляющих потока находится между положительным и отрицательным электродами датчика ТЧ (РМ). В данном случае, направляющие потока могут содержать равноотстоящие блоки, выступающие из поверхности датчика, и, дополнительно, расположенные в шахматном порядке среди чередующихся пар положительных и отрицательных электродов датчика. На этапе 408 разделение потоков ТЧ (РМ) на множество потоков ТЧ (РМ) может дополнительно содержать разделение потоков ТЧ (РМ) на равноотстоящих блоках. По существу, упомянутые блоки расположены в шахматном порядке среди чередующихся пар гребенчатых электродов, и дополнительно расположены таким образом, что значение перекрывания блоков с блоками в предыдущих чередующихся парах электродов меньше порогового значения. Посредством расположения блоков в шахматном порядке, поток ТЧ (РМ) может раздваиваться каждый раз, когда он сталкивается на своем пути с блоком, и дополнительно разделяться на множество потоков, уклоняясь от блока в стремлении к заряженному электроду.
Далее, на этапе 410, заряженные частицы сажи или ТЧ (РМ) в потоках ТЧ (РМ) могут накапливаться на электродах, образуя мостики сажи. В данном случае, на этапе 412 накапливание мостиков сажи на электродах может дополнительно содержать формирование мостиков сажи вокруг направляющих потока или блоков, расположенных среди электродов, и дополнительное формирование множества ветвей мостиков сажи вокруг направляющих потока. Кроме того, на этапе 414 накапливание мостиков сажи может содержать накапливание мостиков сажи в области положительного и отрицательного электрода датчика ТЧ (РМ), а не на направляющих потока. Следует отметить, что действия на этапах 404-414 описывают действия, происходящие в различных местах, и не являющиеся кодом, запрограммированным в контроллере, в отличие, например, от этапов 402 и 416-426.
Далее, на этапе 416, способ содержит определение длины Li каждого из мостиков сажи вдоль каждой из множества ветвей мостика сажи. Как описано выше, мостики сажи могут образовываться по множеству ветвей. В данном случае, множество ветвей формируется, например, за счет расположения блоков вдоль гребенчатых электродов. По мере роста мостиков сажи среди электродов, длина мостика сажи может начать увеличиваться. Контроллер может определять длину каждого из мостиков сажи, образуемого на поверхности датчика. Контроллер может определять длину мостиков сажи на основе значения тока, измеряемого, например, при прохождении через измерительный прибор.
Способ 400 продолжается на этапе 418 определением общей длины мостиков сажи посредством суммирования Li всех мостиков сажи, образованных на поверхности датчика. Далее, на этапе 420, на основе значения общей длины мостиков сажи, определяемого на этапе 418, может быть определено общее количество сажи на датчике ТЧ (РМ). Контроллер может определять общее количество сажи на основе значений, хранящихся, например, в виде справочной таблицы. В некоторых примерах, контроллер может рассчитывать количество сажи на основе значения общей длины мостиков сажи.
Способ 400 продолжается на этапе 422, на котором может быть определено, превышает ли значение общего количества сажи пороговое значение количества сажи, Thr. Пороговое значение Thr может быть пороговым значением количества сажи, соответствующим пороговому значению регенерации датчика ТЧ (РМ). В некоторых примерах пороговое значение Thr может зависеть от количества ТЧ (РМ) на датчике ТЧ (РМ), выше которого датчику ТЧ (РМ) требуется регенерация. Если значение общего количества сажи ниже порогового значения Thr, что свидетельствует о том, что датчик ТЧ (РМ) еще не достиг порогового значения для регенерации, способ 400 продолжается на этапе 424, на котором мостики сажи могут продолжать накапливаться на электродах, и способ возвращается на этап 410.
Однако, если значение общего количество сажи превышает пороговое значение Thr, способ продолжается на этапе 426, на котором датчик ТЧ (РМ) может быть регенерирован, как описано со ссылкой на фиг. 5, и способ заканчивается. Таким образом, посредством измерения и суммирования длины мостиков сажи, образуемых на гребенчатых электродах, может быть проведена надежная и точная диагностика ДСФ (DPF).
Таким образом, пример способа содержит способ для измерения количества твердых частиц ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов, содержащий разделение поступающих потоков ТЧ (РМ) в упомянутом потоке отработавшего газа на множество потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика между положительными электродами и отрицательными электродами датчика, и накапливание потоков ТЧ (РМ) на положительных электродах и отрицательных электродах с образованием мостиков сажи. Дополнительно, или в качестве альтернативы, образование мостиков сажи может содержать накапливание мостиков сажи только на положительных электродах и отрицательных электродах, а не на направляющих потока. Дополнительно, или в качестве альтернативы, направляющие потока могут содержать равноотстоящие блоки, выступающие из поверхности датчика, и расположенные в шахматном порядке среди чередующихся пар положительных электродов и отрицательных электродов датчика. Дополнительно, или в качестве альтернативы, высота блоков может быть больше высоты каждого из упомянутых положительных электродов и отрицательных электродов датчика. Дополнительно, или в качестве альтернативы, упомянутое разделение может дополнительно содержать формирование упомянутых мостиков сажи вокруг направляющих потока и формирование множества ветвей мостиков сажи вокруг направляющих потока. Дополнительно, или в качестве альтернативы, упомянутый способ может содержать определение длины каждого из мостиков сажи вдоль каждой из множества ветвей мостика сажи и суммирование длин для определения общей длины. Дополнительно, или в качестве альтернативы, упомянутый способ может дополнительно содержать определение количества сажи на датчике на основе общей длины, и регенерацию датчика, если значение количества сажи на датчике превышает пороговое значение количества сажи.
Обратимся теперь к фиг. 5, на которой представлен способ 500 для регенерации датчика ТЧ (РМ) (такого, как, например, датчик 106 ТЧ (РМ), показанный на фиг. 1). Более конкретно, если количество сажи на датчике ТЧ (РМ) превышает пороговое значение, или если сопротивление датчика ТЧ (РМ), скорректированное по температуре, опускается до порогового значения сопротивления, условия для регенерации датчика ТЧ (РМ) могут считаться выполненными, и датчику ТЧ (РМ) может требоваться регенерация для обеспечения дальнейшего обнаружения ТЧ (РМ). На этапе 502 может быть начата регенерация датчика ТЧ (РМ), и датчик ТЧ (РМ) может быть регенерирован посредством нагревания датчика на этапе 504. Датчик ТЧ (РМ) может быть нагрет посредством приведения в действие нагревательного элемента, термически соединенного с поверхностью электрода датчика, такого, как нагревательный элемент, встроенный в датчик, до тех пор, пока количество сажи на датчике не будет в достаточной степени снижено посредством окисления частиц углерода между электродами. Управление регенерации датчика ТЧ (РМ), как правило, осуществляется с использованием таймеров, и на этапе 502 таймер может быть установлен на пороговое значение времени действия. В качестве альтернативы, управление регенерацией датчика может осуществляться посредством измерения температуры наконечника датчика, или посредством регулирования мощности, подаваемой на нагреватель, или посредством любого из них. Если для регенерации датчика ТЧ (РМ) используют таймер, на этапе 506 способ 500 содержит проверку, истекло ли пороговое значение времени действия. Если пороговое значение времени действия не истекло, то способ 500 продолжается на этапе 508, на котором регенерация датчика ТЧ (РМ) может быть продолжена. Если пороговое значение времени действия истекло, то способ 500 продолжается на этапе 510, на котором регенерация датчика сажи может быть остановлена, и на этапе 512 электрический контур может быть отключен. Кроме того, электроды датчика могут быть охлаждены, например, до температуры отработавших газов. Способ 500 продолжается на этапе 514, на котором измеряют сопротивление между электродами датчика ТЧ (РМ). Исходя из измеренного значения сопротивления, может быть определена длина мостика сажи, и на этапе 516 также может быть рассчитано количество ТЧ (РМ) или сажи на датчике ТЧ (РМ) (то есть, количество ТЧ (РМ) или сажи, накопившейся между электродами датчика ТЧ (РМ)), и способ продолжается на этапе 518. На этапе 518 расчетное значение количества сажи на датчике ТЧ (РМ) может быть сравнено с пороговым значением Lower_Thr. Пороговое значение Lower_Thr может быть нижним пороговым значением, ниже, чем, например, пороговое значение регенерации, показывающим, что электроды в достаточной мере очищены от частиц сажи. В одном из примеров пороговое значение может быть пороговым значением, ниже которого регенерация может быть остановлена. Если количество сажи продолжает превышать Lower_Thr, указывая на то, что может потребоваться дальнейшая регенерация, способ 500 продолжается на этапе 508, на котором регенерация датчика ТЧ (РМ) может быть произведена повторно. Тем не менее, если датчик ТЧ (РМ) продолжает подвергаться повторным регенерациям, контроллер может устанавливать выдавать код ошибки для того, чтобы показать, что датчик ТЧ (РМ) мог деградировать, или нагревательный элемент в датчике сажи мог деградировать. Если количество сажи ниже порогового значения Lower_Thr, что свидетельствует о том, что поверхность электрода чиста, способ 500 продолжается на этапе 520, на котором данные о сопротивлении и историю регенераций датчика сажи могут быть обновлены и сохранены в памяти. Например, могут быть обновлены данные о частоте регенерации датчика ТЧ (РМ) и/или среднем количестве времени между регенерациями датчика. На этапе 522 контроллер может использовать различные модели для расчета КПД ДСФ (DPF) фильтрации сажи. Таким образом, датчик ТЧ (РМ) может способствовать выполнению бортовой диагностики ДСФ (DPF).
На фиг. 6 представлен пример алгоритма 600 для диагностики функционирования ДСФ (DPF) на основе времени регенерации датчика ТЧ (РМ). На этапе 602 контроллер, путем калибровки, может производить расчет времени регенерации для датчика ТЧ (РМ) t(i)_regen, которое является временем, измеряемым от конца предыдущей регенерации до начала текущей регенерации датчика ТЧ (РМ). На этапе 604 происходит сравнение t(i)_regen и t(i-1)_regen, которое является предыдущим откалиброванным значением времени регенерации датчика ТЧ (РМ). Посредством сравнения может быть сделан вывод, что датчику сажи требуется пройти несколько циклов регенерации для диагностики ДСФ (DPF). Если значение t(i)_regen меньше половины значения t(i-I) region, то на этапе 608 осуществляется индикация протечки ДСФ (DPF), и подается сигнал деградации ДСФ (DPF). В качестве альтернативы, или дополнительно к упомянутому выше процессу, диагностика ДСФ (DPF) может быть осуществлена с использованием других параметров, таких как температура отработавших газов, скорость вращения/нагрузка двигателя, и так далее. Сигнал о деградации может быть подан посредством, например, световой индикации неисправностей, или диагностического кода.
Текущее значение времени регенерации, составляющее меньше половины значения предыдущего времени регенерации, может указывать на то, что время, необходимое для достижения электрической цепью порогового значения R_regen меньше, и, следовательно, частота регенераций выше. Повышенная частота регенераций датчика ТЧ (РМ) может указывать на то, что выходящие отработавшие газы содержат большее количество твердых частиц, чем наблюдается при нормально функционирующим ДСФ (DPF). Таким образом, если значение изменения времени регенерации датчика сажи достигает порогового значения t_regen, при котором текущее значение времени регенерации датчика ТЧ (РМ) меньше половины предыдущего значения времени регенерации, осуществляется индикация деградации или утечки в ДСФ (DPF), например, посредством отображения информации оператору и/или посредством установки индикатора, хранящегося в долговременной памяти, соединенной с процессором, который может быть отправлен на средства диагностики, соединенные с процессором. Если значение изменения времени регенерации датчика сажи не достигает порогового значения t_regen, на этапе 606 индикация утечки в ДСФ (DPF) не осуществляется. Таким образом, утечки в сажевом фильтре, расположенном пред датчиком твердых частиц по ходу потока, могут быть обнаружены на основе скорости осаждения твердых частиц на чувствительном элементе датчика твердых частиц.
Обратимся теперь к фиг. 7, на которой диаграмма 700 демонстрирует пример взаимосвязи между общей длиной сажевых мостиков, количеством сажи на датчике ТЧ (РМ) и количеством сажи на сажевом фильтре. Более конкретно, диаграмма 700 представляет собой графическое изображение взаимосвязи между регенерацией датчика ТЧ (РМ) и количеством сажи на ДСФ (DPF), а именно, того, как регенерация датчика ТЧ (РМ) может осуществлять указывать на деградацию ДСФ (DPF). Вертикальные отметки t0, t1, t2, t3, t4, t5 и t6 обозначают показательные значения времени в работе системы датчика ТЧ (РМ) и сажевого фильтра.
Первый график сверху на фиг. 7 показывает общую длину мостиков сажи, образованных на поверхности датчика ТЧ (РМ). Как описано выше, при накапливании ТЧ (РМ) на гребенчатых электродах, на них могут образовываться мостики сажи. Кроме того, из-за множественных направляющих потока, расположенных среди электродов, могут быть образованы множественные ветви мостиков сажи, в результате чего длина мостика сажи может продолжать увеличиваться (кривая 710). Контроллер может иметь возможность определять количество сажи (кривая 702) на основе значения общей длины мостиков сажи. По существу, общая длина мостиков сажи и количество сажи имеют минимальные значения в нижней части кривых, и увеличиваются по абсолютному значению по направлению к верхней части кривых в вертикальном направлении. Горизонтальное направление показывает время, и время на диаграмме увеличивается слева направо. Горизонтальная отметка 706 показывает пороговое значение тока для регенерации датчика ТЧ (РМ) на верхней кривой. Кривая 704 показывает количество сажи на ДСФ (DPF), и горизонтальная отметка 708 показывает пороговое значение количества сажи на ДСФ (DPF) на второй кривой.
В промежутке времени между t0 и t1 показан цикл регенерации датчика ТЧ (РМ). В момент времени t0 датчик ТЧ (РМ) находится в относительно чистом состоянии, так как измеренное значение общего тока датчика ТЧ (РМ) является низким. Контроллер, соединенный с датчиком ТЧ (РМ), определяет общую длину мостиков сажи посредством суммирования длин каждого из мостиков сажи, образующихся по всему множеству ветвей, и дополнительно определяет количество сажи (702) на датчике ТЧ (РМ) на основе общей длины мостиков сажи. Если определяемое контроллером количество сажи мало, контроллер может отсылать цепи регенерации инструкции по завершению подведения тепла, таким образом, цепь обнаружения может начать определение накопления ТЧ (РМ). При увеличении количества ТЧ (РМ) на датчике, начинают образовываться мостики сажи, и длина мостиков сажи начинает увеличиваться. Таким образом, общая длина мостиков сажи, содержащая сумму длин каждого из мостиков сажи, образуемых на электроде, также начинает увеличиваться (кривая 710). Контроллер может определять количество сажи (кривая 702) на датчике на основе значения общей длины мостиков сажи (кривая 710). В промежутке времени между t0 и t1, ТЧ (РМ) продолжают накапливаться и образовывать мостики сажи по всему множеству ветвей, и общее количество ТЧ (РМ) (кривая 702), соответственно, увеличивается, и также увеличивается количество сажи на ДСФ (DPF) (кривая 704). В некоторых примерах количество сажи на ДСФ (DPF) может быть определено на основе накопленной сажи на датчике ТЧ (РМ), например, если датчик ТЧ (РМ) расположен перед ДСФ (DPF) по ходу потока. Контроллер может рассчитывать распределение мостиков сажи и дополнительно определять длину мостиков сажи посредством, например, подсчета изменения тока или сопротивления на электродах.
В момент времени t1 накопление сажи на датчике ТЧ (РМ) (кривая 702) достигает порогового значения накопления для регенерации датчика ТЧ (РМ) (отметка 706). Пороговое значение накопления для регенерации может дополнительно зависеть от порогового значения длины мостиков сажи (отметка 712). В момент времени t1 может быть начата регенерация датчика ТЧ (РМ), как описано выше. Таким образом, в промежутке времени между t1 и t2 датчик ТЧ (РМ) может быть регенерирован, например, посредством включения электрической цепи регенерации. В момент времени t2 датчик ТЧ (РМ) может быть в достаточной мере охлажден и может начать накапливать ТЧ (РМ). Таким образом, в промежутке времени между t2 и t3 (цикл регенерации ДСФ (DPF)), датчик ТЧ (РМ) может продолжать накапливать ТЧ (РМ). В течение периода времени между t2 и t3, количество сажи на ДСФ (DPF) продолжает увеличиваться (кривая 704). Тем не менее, в момент времени t3 количество сажи на ДСФ (DPF) (кривая 704) достигает порогового значения количества сажи для регенерации ДСФ (DPF) (отметка 708). В промежутке времени между t3 и t4, ДСФ (DPF) может быть регенерирован для сжигания сажи, накопленной на ДСФ (DPF), как описано ранее. Кроме того, в момент времени t4 может быть проведено сравнение частоты регенерации датчика ТЧ (РМ) с предыдущим значением частоты регенерации датчика ТЧ (РМ). На основе данных о частоте регенерации датчика ТЧ (РМ), остающейся неизменной по сравнению с предыдущими циклами, может быть установлено, что в ДСФ (DPF) нет утечки. Таким образом, на основе выходных данных датчика ТЧ (РМ), могут быть осуществлены мониторинг и диагностика утечек в ДСФ (DPF).
В промежутке времени между t5 и t6 показан другой цикл ДСФ (DPF). В данном случае, в промежутке времени между t5 и t6 количество сажи на ДСФ (DPF) постепенно увеличивается (кривая 704). В этот период времени может осуществляться мониторинг общей длины мостиков сажи и количества сажи на датчике ТЧ (РМ). Кривые 702 и 710 показывают, как датчик ТЧ (РМ) подвергается множественным циклам регенерации, как описано выше. Тем не менее, частота регенерации датчика ТЧ (РМ) практически удваивается (кривая 702). Как описано выше, повышенная частота регенераций датчика ТЧ (РМ) может указывать на то, что выходящие отработавшие газы содержат большее количество твердых частиц, нежели наблюдается при нормально функционирующем ДСФ (DPF), вследствие этого в момент времени t6 может быть сделано указание об утечке в ДСФ (DPF).
Таким образом, может быть обеспечено более точное измерение количества твердых частиц, содержащихся в отработавших газах, и, следовательно, может быть определено количество сажи, накопленной на ДСФ (DPF). По существу, данный подход способствует увеличению эффективности действий, предпринимаемых для регенерации фильтра, и уменьшению необходимости использования сложных алгоритмов. Кроме того, посредством обеспечения более точной диагностики ДСФ (DPF) выпускной системы, может быть улучшено соответствие выбросов в отработавших газах нормативам. По существу, такой подход способствует снижению гарантийных расходов по замене работоспособных сажевых фильтров, а также снижению вредности выбросов отработавших газов и увеличению срока службы компонентов выпускной системы. Таким образом, посредством расположения множества блоков на поверхности датчика в шахматном порядке, может быть обеспечено распределение сажи по поверхности датчика, и может быть обеспечено более точное измерение количества твердых частиц, накопленных датчиком ТЧ (РМ). Кроме того, посредством использования выступающих электродов на поверхности датчика, может быть увеличено количество накапливаемой сажи и образование мостиков сажи. Технический эффект расположения блоков по поверхности датчика в шахматном порядке и между гребенчатыми электродами состоит в том, что могут быть образованы множественные ветви формирования мостиков сажи. Посредством суммирования длин мостиков сажи по всем множеству ветвей и определения количества сажи на датчике, датчик ТЧ (РМ) может более точно обнаруживать ТЧ (РМ) в отработавших газах и, таким образом, более надежно осуществлять диагностику утечек в ДСФ (DPF).
Системы и способы, раскрытые выше, также обеспечивают датчик твердых частиц, содержащий пару пленарных гребенчатых электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и выступающих из поверхности датчика ТЧ (РМ), и множество выступающих направляющих потока, расположенных между пар пленарных гребенчатых электродов. В первом примере датчике твердых частиц, датчик может, дополнительно, или в качестве альтернативы, содержать направляющие потока, содержащие равноотстоящие блоки, выполненные между парами пластин гребенчатых электродов, причем расстояние между блоками меньше, чем расстояние между парами пластин перы пленарных гребенчатых электродов. Второй пример датчике ТЧ (РМ) может содержать первый пример и дополнительно может содержать вариант, в котором блоки дополнительно расположены между чередующимися парами пластин гребенчатых электродов в шахматном порядке. Третий пример датчике ТЧ (РМ) может содержать первый и второй примеры и дополнительно может содержать вариант, в котором каждая чередующаяся паре пластин содержит блоки, выполненные с перекрытием, имеющим значение меньше порогового значения, с блоками в предшествующих чередующихся парах пластин. Четвертый пример датчике ТЧ (РМ) может содержать один или более из примеров с первого по третий, и дополнительно может содержать вариант, в котором расстояние между блоками между парами пластин меньше, чем расстояние между парами пластин гребенчатых электродов. Пятый пример датчика ТЧ (РМ) может содержать один или более из примеров с первого по четвертый, и дополнительно может содержать вариант, в котором высоте блоков больше, чем высота каждой из пер пластин гребенчатых электродов. Шестой пример датчике ТЧ (РМ) может содержать один или более из примеров с первого по пятый, и дополнительно может содержать вариант, в котором пары пластин гребенчатых электродов расположены перпендикулярно потоку отработавших газов, причем каждая пере пластин поочередно соединена с положительной и отрицательной клеммами источнике напряжения. Седьмой пример датчике ТЧ (РМ) может содержать один или более из примеров с первого по третий, и дополнительно может содержать вариант, в котором сажа в потоке отработавших газов накапливается между парами пластин гребенчатых электродов, но не на блоках, расположенных между парами пластин. Восьмой пример датчика ТЧ (РМ) может содержать один или более из примеров с первого по третий, и дополнительно может содержать контроллер с хранящимися в долговременной памяти машиночитаемыми командами для разделения одного потока ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов на множество потоков ТЧ (РМ) на каждом из блоков, расположенном между парами пластин гребенчатых электродов, накапливания ТЧ (РМ) множества потоков ТЧ (РМ) на парах пластин, и регенерации датчика ТЧ (РМ), когда количество ТЧ (РМ) между парами пластин достигает порогового значения количества ТЧ (РМ).
Системы и способы, раскрытые выше, также обеспечивают датчик твердых частиц, содержащий пару непрерывных гребенчатых электродов, установленных на поверхности датчика, и множество равноотстоящих выступающих блоков, расположенных в шахматном порядке по поверхности датчика, причем выступающие блоки расположены между чередующимися парами гребенчатых электродов. В первом примере датчика твердых частиц, датчик может дополнительно, или в качестве альтернативы, содержать вариант, в котором высота блоков больше высоты каждой из пары пластин гребенчатых электродов. Второй пример датчика ТЧ (РМ) может содержать первый пример, и дополнительно может содержать вариант, в котором длина каждого из блоков меньше, чем длина каждого из гребенчатых электродов. Третий пример датчика ТЧ (РМ) может содержать один или более из первого и второго примеров, и дополнительно может содержать контроллер с хранящимися в долговременной памяти машиночитаемыми командами для накапливания сажи на паре непрерывных гребенчатых электродов и предотвращения накапливания сажи на блоках, определения количества сажи на датчике ТЧ (РМ) на основе значения общего количества сажи, накопленной на паре гребенчатых электродов; и регенерации датчика ТЧ (РМ), когда количество сажи превышает пороговое значение.
Системы и способы, описанные выше, также обеспечивают способ измерения количества твердых частиц ТЧ (РМ) в потоке отработавших газов, содержащий разделение поступающих потоков ТЧ (РМ) в потоке отработавшего газа на множество потоков ТЧ (РМ) на множестве направляющих потока, расположенных на поверхности датчика между положительными электродами и отрицательными электродами датчика, и накапливание потоков ТЧ (РМ) на положительных электродах и отрицательных электродах с образованием мостиков сажи. В первом примере способа, способ может дополнительно, или в качестве альтернативы, содержать образование мостиков сажи с расположением мостиков сажи только на положительных электродах и отрицательных электродах, а не на направляющих потока. Второй пример способа может содержать первый пример и дополнительно может содержать вариант, в котором направляющие потока содержат равноотстоящие блоки, выступающие из поверхности датчика и расположенные в шахматном порядке среди гребенчатых пар положительных электродов и отрицательных электродов датчика. Третий пример способа может содержать один или более из первого и второго примеров, и дополнительно может содержать вариант, в котором высота блоков больше высоты каждого из положительных электродов и отрицательных электродов датчика. Четвертый пример способа может содержать один или более из примеров с первого по третий, и дополнительно может содержать вариант, в котором упомянутое разделение потока дополнительно содержит формирование мостиков сажи вокруг направляющих потока и формирование множества ветвей мостиков сажи вокруг направляющих потока. Пятый пример способа может содержать один или более из примеров с первого по четвертый, и дополнительно может содержать определение длины каждого из мостиков сажи вдоль каждой из множества ветвей мостика сажи, и суммирование длин для определения общей длины. Шестой пример способа может содержать один или более из примеров с первого по пятый, и дополнительно может содержать определение количества сажи на датчике на основе общей длины, и регенерацию датчика, если значение количества сажи на датчике превышает пороговое значение количества сажи.
Необходимо отметить, что примеры приведенных здесь алгоритмов управления и оценки могут использоваться с различными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Некоторые этапы способов и алгоритмов управления, раскрытых в настоящей заявке, могут храниться в виде исполняемых команд в долговременной памяти, и могут исполняться системой управления, содержащей контроллеры в сочетании с различными датчиками, приводами и другими компонентами 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 тому подобные. Таким образом, различные описанные действия, процессы и/или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, могут быть опущены. Аналогично, такой порядок обработки не обязателен для достижения преимуществ и реализации признаков раскрытых в настоящей заявке примеров осуществления, но приведен для простоты графического представления и описания. Одно или несколько описанных действий, процессов и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии. Более того, описанные действия, процессы и/или функции могут графически представлять код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, в которой описанные действия реализуются посредством исполнения команд в системе, причем раскрытые действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные компоненты двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что конфигурации и последовательности, раскрытые в данном документе, являются по своей сути примерами, и эти конкретные варианты осуществления не должны быть восприняты в ограничивающем значении, поскольку возможно множество модификаций. Например, вышеупомянутая технология может быть применена к V-образному шестицилиндровому, рядному четырехцилиндровому, рядному шестицилиндровому, V-образному двенадцатицилиндровому, оппозитному четырехцилиндровому и другим типам двигателей. Объем настоящего изобретения содержит все неизвестные и неочевидные сочетания и частичные сочетания различных систем, конфигураций, и других признаков, функций и/или свойств, раскрытых в данном документе.
В последующих пунктах формулы изобретения конкретно указаны определенные сочетания и частичные сочетания, которые следует считать новыми и неочевидными. Эти пункты формулы могут ссылаться на «элементы» или «первые элементы», или их эквиваленты. Такие пункты формулы следует считать содержащими возможность наличия одного или нескольких таких элементов, но не требующими наличия и не исключающими возможность наличия двух или большего количества таких элементов. Другие сочетания или частичные сочетания раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены посредством внесения поправок в настоящие пункты формулы или через включение новых пунктов формулы в настоящую или связанную заявку. Такие пункты формулы, вне зависимости от того, шире, уже, эквивалентные или отличные от исходных пунктов формулы изобретения, также включены в объем настоящего изобретения.