本申请大体上涉及在排气流中的电阻型颗粒物质(particle matter，PM)传感器的设计和使用。
背景技术：
柴油燃烧可以产生包含颗粒物质(PM)的排放物。所述颗粒物质可包含柴油碳烟和气雾，例如灰颗粒、金属磨蚀颗粒、硫酸盐和硅酸盐。当释放到大气中时，PM可采取个别颗粒或链聚集物的形式，大多数是在100纳米的不可见亚微米范围内。已经开发各种技术用于在排气释放到大气之前识别且滤出排气PM。
作为一示例，碳烟传感器或PM传感器可以用于具有内燃发动机的交通工具中。PM传感器可以位于柴油颗粒过滤器(diesel particulate filter，DPF)的上游和/或下游，且可用以感测过滤器上的PM负载且诊断DPF的操作。PM传感器可以基于放置在传感器的平面基底表面上的一对薄电极之间的电导率(或电阻率)的测得的改变与沉积于测量电极之间的PM量之间的相关性来感测颗粒物质或碳烟负载。具体地，测得的电导率提供碳烟积聚的测量。
示例性PM传感器由Goulette等在US 2015/0153249A1中示出。其中，安置于基底上的导电材料被图案化以形成PM传感器的叉指形(interdigitated)“梳状”电极。当在所述电极两端施加电压时，碳烟颗粒在电极之间积聚在基底的表面处或附近。
本文的发明人已认识到此类系统具有的潜在问题。作为一示例，在这些PM传感器中，进入的排气中的PM的仅小部分经历在电极之间施加的静电力，且跨越形成于传感器表面上的电极而被收集，从而导致传感器的低灵敏度。此外，甚至积聚于表面上的PM的部分也可能由于跨越传感器表面的流动分布的偏差而不均匀。PM可能趋于大部分或严格地积聚在传感器的入口侧，且实现低和/或非均匀的碳烟负载。PM在传感器表面上的非均匀沉积可进一步加重传感器的低灵敏度的问题。
技术实现要素：
本发明人已经认识到上述问题且已经识别至少部分地解决所述问题的方法。在一个示例中，上述问题可以通过一种颗粒物质传感器来解决，所述颗粒物质传感器包含：弯曲传感器表面，其具有安置于其上的不同电压的叉指形(interdigitated)电极。可以安置入口以从来自柴油发动机的排气流捕获排气的样本流。可以形成导管以在可以与正交于弯曲传感器表面的线形成锐角的方向上朝向弯曲传感器表面引导所述样本流。以此方式，可以感测PM浓度的有效测量。也以此方式，碳烟捕获可以较好地分布且更均匀，且可以改进传感器的灵敏度和可靠性。
总体上，传感器组合件的这些特性可以致使传感器组合件的输出较准确，进而增加估计颗粒过滤器上的颗粒负载的准确性。
应理解，提供以上发明内容以按简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。它并非意味着识别所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题的范围由随附的权利要求书唯一地界定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上文所提到的或在本公开的任何部分中的任何缺点的实施方案。
附图说明
图1示出发动机和定位于排气流中的相关联颗粒物质(PM)传感器的示意图。
图2是根据本公开的示例性PM传感器的侧视横截面图。
图3A和图3B是根据本公开的图示说明图2中示出的示例性PM传感器内的样本流动方向的相应侧视图和端视图。
图4是根据本公开的图2中示出的示例性PM传感器的端部横截面图，其中图示说明了添加的细节。
图5是根据本公开的其中安置传感器表面的导管的局部剖视透视图。
图6是根据本公开的其上安置叉指形梳状电极且具有圆柱形形状的圆柱形传感器表面的透视图。
图7是根据本公开的形成为截头圆锥或锥形部分的曲线传感器表面的透视图。
图8是根据本公开的示例性传感器的透视图。
图9是根据本公开的通过可以视为类似于图8中示出的导管的示例性导管的横截面图。
图9A、图9B和图9C是分别在图9中的线A-A、B-B和C-C处截取的相应横截面图。
图10是根据本公开的曲线传感器表面的详细视图。
图11和图12是根据本公开的示出过滤器加载和再生的示例过程的图形表示。
具体实施方式
以下描述涉及颗粒物质传感器(PM传感器)的实施例，其包含用于感测发动机系统的排气流中的颗粒物质(PM)的系统和方法，所述发动机系统例如图1中示出的发动机系统。实施例可包含控制器12，其可以被配置成执行一个或多个控制例程以辅助或实现各种发动机操作，所述操作可包含跨越根据本公开形成的电极积聚排气PM的一个或多个例程。通过本文公开的实施例的PM的有效且良好分布的积聚可以致使PM传感器的输出较准确，进而增加估计颗粒过滤器上的颗粒负载的准确性，且提升PM传感器上游的PM过滤器的监视有效性。另外，通过实现颗粒过滤器的较准确诊断，可以改进排气排放合规性。因此，这可以减少与更换功能性颗粒滤波器相关联的保修成本。另外，可以改进排气排放且可以延长排气组件寿命。
图1示出交通工具系统6的示意性绘图。交通工具系统6包含发动机系统8。发动机系统8可包含具有多个汽缸30的发动机10。发动机10包含发动机进气装置23和发动机排气装置25。发动机进气装置23可包含节气门62，其经由进气通路42流体地耦接到发动机进气歧管44。发动机排气装置25包含排气歧管48，其最终通向将排气传送到大气的排气通路35。节气门62可以位于进气通路42中在例如涡轮增压器(未图示)等升压装置的下游且在后冷却器(未图示)的上游。当包含后冷却器时，后冷却器可以被配置成降低由升压装置压缩的进气空气的温度。
发动机排气装置25可包含一个或多个排放控制装置70，其可以安装于排气装置中的封闭耦接位置。一个或多个排放控制装置可包含三元催化剂、稀NOx过滤器、SCR催化剂等。发动机排气装置25还可包含定位于排放控制装置70上游的柴油颗粒过滤器(DPF)102，其从进入气体临时过滤PM。在一个大示例中，如图所描绘的，DPF 102是柴油颗粒物质保持系统。DPF 102可以具有由例如堇青石或碳化硅构成的单块结构，内部具有用于从柴油机排气过滤颗粒物质的多个通道。已经被过滤PM的尾管排气在通过DPF 102后可以在颗粒物质(PM)传感器106中或用所述传感器进行测量，且可以在排放控制装置70中进一步处理且经由排气通路35排出到大气。在所描绘的示例中，PM传感器106可以是电阻式传感器，其可以被配置成基于在PM传感器106的电极两端测得的电导率改变而估计DPF 102的过滤效率。
交通工具系统6可进一步包含控制系统14。示出控制系统14从多个传感器16接收信息且将控制信号发送到多个致动器81。作为一个示例，传感器16可包含：被配置成测量通过排气通路35的排气的流率的排气流率传感器126、排气传感器(位于排气歧管48中)、温度传感器128、压力传感器129(位于排放控制装置70下游)以及PM传感器106。例如额外的压力、温度、空气/燃料比、排气流率和组合物传感器等其它传感器可以耦接到交通工具系统6中的各种位置。作为另一示例，致动器81可包含燃料喷射器66、节气门62、控制过滤器再生的DPF阀(未图示)、控制PM传感器打开的马达致动器(例如，PM传感器106的入口中的阀或板的控制器打开)等。
许多示例性致动器81可包含耦接到PM测量电路的一个或多个开关。控制系统14可包含控制器12。控制器12可以被配置成具有存储于非暂时性存储器上的计算机可读指令。控制器12可以从各种传感器16接收信号，可以处理所述信号，且可以采用各种致动器81以基于接收信号和存储于控制器12的存储器上的指令而调整发动机操作。作为一示例，在操作PM传感器106以积聚碳烟颗粒的同时，控制器12可以将一个或多个控制信号发送到电路以将电压施加到PM传感器组合件107的传感器元件的电极202，以将带电颗粒截留到PM传感器106或传感器元件的传感器电极202的表面上。
作为另一示例，在PM传感器106再生期间，控制器12可以将控制信号发送到再生电路198，例如加热元件，以闭合再生电路198中的开关达阈值时间以将电压施加到再生电路198，其耦接到电极以加热PM传感器106的电极。以此方式，可以加热电极以燃烧掉沉积于电极202的表面上的碳烟颗粒。
实施例可包含一个或多个曲线传感器表面200，其被安置且成形以使得排气样本即样本流210可以锐角216冲击表面200，且可以与传感器表面200进行额外冲击和/或接触。以此方式，可存在于排气样本中的碳烟可以趋于与传感器表面做出有效接触，其可以例如如所论述以静电方式截留到(一个或多个)曲线传感器表面200上，且可以有效地测量PM浓度水平。并且，以此方式，冲击气体可以实现跨越传感器表面200的滚动或滑动运动，其可以趋于使经取样气体进一步沿着传感器表面200移动，其中传感器表面200的连续曲线可以在流动排气的路径中有效地定位更多传感器电极202。流动排气又可以进一步在下游以锐角冲击或再冲击弯曲的传感器表面200。第二或额外锐角可以与第一锐角不同，或可以不与第一锐角不同。以此方式，可以实现沿着传感器表面200的相当大长度进行有效冲击的样本排气流的总体稍微连续的作用。
根据本公开，传感器表面200可以用各种方式弯曲或成形。本文公开一些示例。图5是其中安置传感器表面200的导管240的局部剖视透视图。传感器表面200可以是曲线表面形状，例如作为汽缸，或具有圆柱形表面。图6是其上安置有叉指形梳状电极204、206的圆柱形传感器表面的透视图。如所图示说明的，曲线传感器表面的相对端可以界定圆242或者具有相似或相等大小或直径的椭圆。图7图示说明可以形成为截头圆锥或锥形部分的曲线传感器表面。在此情况下，如所图示说明的，曲线传感器表面的相对端可以界定圆或者具有不同大小或直径的椭圆。图8图示说明其中截头圆锥形传感器表面200可以安置于界定于内部屏蔽件244与外部屏蔽件246之间的导管240内的示例。图9是通过相同或类似于图8中示出的导管240而配置的导管240或导管主体的横截面图。
实施例可以提供颗粒物质传感器106或碳烟传感器106，其可包含其上可安置有叉指形电极202的弯曲传感器表面200。叉指形电极202可以具有、保持到或可充电到不同电压。举例来说，第一组梳状电极204可以充电到相对正电压；且第二组梳状电极206可以插入或与所述第一组204交叉。所述第二组206可以充电到相对负电压。相应对的梳状齿可以提供若干可相反充电的元件以感测颗粒物质的存在。举例来说，可以接触第一电极204与第二电极206之间的间隙的碳烟的存在可以改变可测量的电路特性。
还至少简单地参见图10，碳烟传感器106可包含入口208，其被安置成从来自柴油发动机10的排气流212捕获排气的样本流210，所述柴油发动机例如图1中图示说明的发动机10。导管214可以被形成为在与正交于弯曲传感器表面200的线218形成锐角216的方向上朝向弯曲传感器表面200引导样本流210。
如上文所论述，实施例可以提供具有有利曲线形状的传感器表面。在一些示例中，弯曲传感器表面200可以是例如圆柱形。在其它示例中，弯曲传感器表面200可以是例如截头圆锥形。其它形状是可能的。
实施例可以提供碳烟传感器或颗粒物质传感器106，其中导管240可包含第一导管241和第二导管243。或者例如，可以考虑单个导管包括两个或更多个导管区段241、243。如图2至图4中所图示说明的，第一管道241可以横向于排气流212被定位，可以在其上游侧248具有两个或更多个开口208以在可通过排气通路35的排气流212中的单独且不同径向位置处接纳排气进入第一导管241。第二导管243可以是环面形(torroid shaped)，且可以与第一导管241流体地耦接，且其中弯曲传感器表面200可以为大体上圆柱形，且可以安置于第二导管243内部。
具体地，参见图2至图4，PM传感器布置或PM传感器系统107可包含竖直管280，其可以由竖直对分(bisection)板284划分成两个流动通路282、283。流入口孔208可以沿着上游半部的上游表面248设计，所述上游半部即竖直管280的面向进入的排气流212的上游流动通路282。流出口孔286可以被设计在竖直管的下游半部的底部处，所述下游半部即下游流动通路282。
水平管288具有水平对分板290以将管划分为两个流动通路：水平顶部通路291和水平底部通路293。竖直管280的上游半部可以流体地耦接到水平管288的底部半部，且竖直管280的下游半部可以流体地耦接到水平管288的顶部半部。两个流动通路之间无排气交换。
圆形管294可以被设计为具有元件基部(例如本文中论述的曲线传感器表面200)作为二等分线以将管294划分为外部流动通路295和内部流动通路296。外部流动通路295可以流体地耦接到水平管288的顶部半部292，且内部流动通路296可以流体地耦接到水平管288的底部半部293。
连通孔298(图3B和图4)可以被设计在元件基部，即曲线表面200上，以使排气流从内部半部管296到达外部半部管295。可以设计且安装半部圆盘300以重定向排气以沿着内部半部管296流动。图3A和图3B示出系统107内的排气流样本方向。
实施例可以包含叉指形电极202，其位于弯曲传感器表面200的凹侧250上并且进一步包括电路，所述电路可被称为弯曲传感器表面200的相对侧252上的被配置成用于传感器再生的再生电路198。再生电路198可以加热传感器表面200且可以燃烧掉可能已经积聚的颗粒物质。再生可以开始和/或结束感测颗粒物质水平的循环。如由传感器106测量的重复和/或预定累积表现的可检测变化可以用信号表示上游过滤器中的缺陷，例如渗漏。
在一些情况下，例如图8至图9中图示说明的那些情况，导管240可以被界定在圆锥形内部屏蔽件244与外部屏蔽件246之间，其中入口208是在上游侧260通过内部屏蔽件244界定的一个或多个孔209，并且进一步包括在与内部屏蔽件244中的所述一个或多个孔209的位置266相比具有较低静压力的位置264处通过外部屏蔽件246界定的一个或多个孔262。
内部屏蔽件244可以界定与排气流212大体上成直线的通过传感器主体270的通路268，且其中所述一个或多个孔向通路268开放且在下游方向上成角度。大的水滴302和柴油颗粒可以跟随排气流且例如由于相对较大动量而直接移动通过所述通路。
图10是根据本公开的曲线传感器200的详细的横截面图。弯曲传感器表面200可以弯曲到流210中。叉指形电极202可以在相对于所述流的上游位置的不同位置，和/或在横向于样本流的不同位置。以此方式，不同对的电极齿204、206可以在不同时间冲击且位于流210的不同部分。
各种实施例可以提供确定排气流中的碳烟浓度水平的方法。所述方法可包含从柴油颗粒过滤器102下游的排气流内的相应两个或更多个位置208收集两个或更多个排气流样本。所述方法还可包含朝向曲线传感器表面200引导流样本，使得流样本210与曲线传感器表面200的曲线的切线272成锐角(图10)冲击传感器表面200。所述方法还可包含横向于与曲线传感器表面200叠合的弧(congruent arc)而定位叉指形电极。
各种实施例可包含关于引导的流样本的大体流动方向将相应对的相反带电叉指形电极中的第一个定位在所述对相反带电叉指形电极中的第二个的上游且所述第一个从所述对相反带电叉指形电极中的第二个纵向偏移。
在一些示例实施例中，所述两个或更多个排气流样本的收集包含使样本进入沿着大体上正交于排气流方向而定向的第一导管的相应间隔开的开口中。所述方法可包含将曲线传感器表面定位于环面形的第二导管内；以及将样本从第一导管传递通过第二导管。
在一些示例实施例中，收集所述两个或更多个排气流样本可包含使样本进入通过界定在截头圆锥形内部屏蔽件中的开口。所述方法可包含将所收集样本传递通过界定在内部屏蔽件与外部屏蔽件之间的导管且使样本冲击曲线传感器表面，以及使样本通过穿过外部屏蔽件界定的开口排出。所述方法可包含将样本流返回到排气流，从而减去在所述相反带电叉指形电极之间捕获的一些碳烟颗粒。
图11和图12是根据本公开的示出过滤器加载和再生的示例过程的图形表示。C1指代在再生循环的开始处可以用传感器测量的值；且C0指代在再生循环的结束时可以用传感器测量的值。所述过程可以自己重复。可以记录每一循环的时间间隔，且在先前时间间隔t_i_regen与当前时间间隔t_i+1_regen之间可执行比较。如果在第i传感器过滤器再生之后DPF失效/发生故障，那么在DPF下游的碳烟浓度将高得多，且第i与第(i+1)再生之间的所计算时间间隔将短得多。如果t_i+1_regen<t_i_regen/2，那么随后可以识别DPF失效。
各种实施例可以提供排气传感器布置107，其可包含导管240以传递从排气流212收集的两个或更多个排气样本210。弯曲表面200可以具有定位于其上的电学可充电导体202，且被成形并安置于导管240内以使得所述两个或更多个排气样本210的流动的中心线可以锐角216冲击弯曲表面200。
导管240可包含两个或更多个导管区段241、243，且其中一个导管区段243可以是环面形，且其中弯曲表面200可以大体上为圆柱形且可以安置于环面形导管区段243内。环面形导管区段243可以安置于排气通路35外部，且可以与引导来自柴油发动机10的排气流212的排气通路的中心轴线大体上同轴而安置。
导管240可包含由圆锥形内部屏蔽件244界定的内部边界，以及由凸外部屏蔽件246形成的外部边界。弯曲表面200可以具有电导体202，可以为大体上截头圆锥形且可以安置于导管240内。外部边界246的弯曲表面可以是凸环状表面，其径向向外延伸且倾向于在其外表面上形成一个或多个低压力位置246。实施例可以提供内部屏蔽件244与弯曲表面200的内半径之间的间隙310以允许气体样本通过，且在弯曲表面的下游退出导管240。
在一些情况下，弯曲表面200可以具有至少30度的弧长度。在一些情况下，弯曲表面200可以具有大于180度的弧长度，且可以接近360度。在一些情况下，锐角216可以在1度与89度之间。举例来说，锐角216可以大于5度。
提供具有弯曲表面的PM传感器的技术效果在于：样本流可以趋于冲击弯曲传感器表面，其具有朝向传感器表面的法向位移分量和沿着传感器表面的纵向分量两者。这可以趋于使所取样气体进一步沿着传感器表面移动，且还可以趋于使悬浮于样本流中的较大量组分移动更接近传感器表面。以此方式，可以实现传感器表面区域的有效接触和高效使用两者。
应注意，在本文中包含的示例控制和估计例程可以与多种发动机和/或交通工具系统配置一起使用。本文中所公开的控制方法和例程的选定动作可作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，且可由包含控制器的控制系统与各种传感器、致动器和其它发动机硬件组合地进行。本文中所描述的特定的例程可以表示任意数目的处理策略中的一个或多个，例如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程及类似者。由此，可以按所图示说明的顺序同时执行所图示说明的各种动作、操作或功能，或者在一些情况下可以将它们省略。同样地，处理次序对于达成本文中所描述的示例实施例的特征和优点未必是必需的，而是为了易于说明和描述而提供。根据所使用的特定策略，可以重复地执行所图示说明的动作、操作和/或功能中的一个或多个。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形方式表示待编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体的非暂时性存储器中的代码，其中所描述动作是通过与电子控制器组合地执行包含各种发动机硬件组件的系统中的指令而执行。
附图以各种组件的相对定位示出示例性配置。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可以被分别称为直接接触的或直接耦接的。类似地，示出为彼此邻接或邻近的元件可以至少在一个示例中分别为彼此邻接或邻近的。作为一示例，以共享面的方式彼此接触放置的组件可以被称为以共享面的方式接触。作为另一示例，彼此隔开放置并且在其中仅具有空间而没有其它组件的元件可以在至少一个示例中被称为如此。作为又另一个示例，示出为在彼此上方/下方、在彼此相对侧处、或在彼此左侧/右侧的元件可以被称为相对于彼此如此。另外，如图中所示，最顶端元件或元件的部位可以在至少一个示例中被称为组件“顶部”，并且最底端元件或元件的部位可以被称为组件“底部”。如本文中所使用，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以是相对于图的竖直轴，并且用来描述图的元件相对于彼此的置放。如此，示出为在其它元件上方的元件在一个示例中竖直地定位在其它元件上方。作为又另一个示例，图中描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，例如是圆形的、直式的、平面的、弯曲的、圆形的、斜面的、成角度的等)。此外，示出为彼此相交的元件可以在至少一个示例中被称为相交元件或彼此相交。又另外，示出为在另一元件内部或示出为在另一元件外部的元件可以在一个示例中被称为如此。
应该清楚，因为可能有许多变化，所以在本文公开的配置和例程实际上是示例性的，并且这些特定实施例不应被视为具有限制意义。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他的发动机类型。本公开的主题包括在本文公开的不同系统和配置，以及其他特征、功能、和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
随附权利要求特别指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等价物。此类权利要求应理解成包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或更多此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可以通过本权利要求的修正或通过在本申请或相关申请中呈现的新权利要求加以要求保护。此类权利要求，无论比原始权利要求范围更宽、更窄、相同或不同，仍被视为包括在本公开的主题内。