专利名称：用于确定排气中的微粒的微粒传感器、排气系统和方法
技术领域：
本公开涉及用于确定排气中的微粒的微粒传感器、排气系统和方法。
背景技术：
为了监控内燃发动机的排气系统，利用微粒传感器来测量流过排气系统的排气中的微粒含量。目前，众所周知的是电阻式微粒传感器，其中形成两个或多个金属电极。积聚的微粒，尤其是碳烟微粒，导致以梳状方式彼此啮合的电极短路，因此，随着传感器表面上的微粒浓度增加，在电极之间可以测量到电阻会下降或阻抗会下降(或者如果应用恒定电压的话，则电流会增加)。所测量的电流或其变化可以与积聚的微粒质量相关联，因此也与排气中主要的微粒浓度相关联。从DE102008041809A1和EP1873511A2/A3的示例中得知所述类型的传感器或系统。通过增加应用于微粒传感器的传感器元件的参照电压可以提高微粒传感器关于积聚微粒的比电阻(specific resistance)的灵敏度。这种传感器元件的参照电压或供给电压一般被设定为12伏特或5伏特(例如可以从12伏特电池系统获得的)。这是具体应用到轻型结构的情况。供给电压增加到更高的电平，例如增加到30伏特-40伏特，则需要蓄电池电源的电压增加到更高电压，例如增加到42伏特，或者需要在动力传动系统PCM的控制单元(动力传动系控制模块)中将供给电压从12伏特放大到所需的传感器电压。第一种方法导致成本增加，这仅通过某些测量需求就未被核准，而第二种方法可能是被禁止的，因为其需要放大动力传动系统的控制单元中的所需电压并且需要布线到排气流中的传感器的位置。考虑到在传感器/致动器的区域中主要通过12伏特供给电压且大多数情况下通过5伏特供给电压来操作的环境中电磁力(EMF)所导致的影响，因此这是不理想的。
发明内容
本发明人已经意识到上面方法的问题，并提供一种传感器来至少部分地处理以上的问题。在一个实施例中，排气系统的微粒传感器包含传感器元件和用于放大传感器元件的参照电压的集成放大电路。用这种方式，通过放大电路可以放大例如由电池供应的原始电压。这样,可以增加微粒传感器的灵敏度，而不会有与放大PCM中的电压相关联的EMF干扰。
单独考虑或结合附图考虑下面的详细说明书时，将更容易理解本说明书的以上优势和其他优势与特征。应当理解，提供上述发明内容是为了以简化的形式引入将在具体实施方式
中进一步描述的概念选择。这并不意味着确定所声明的主题的关键特征或基本特征，由随附于说明书的权利要求来唯一地限定其范畴。而且，所声明的主题并不限于解决以上或在本公开的任何部分中注解的任何缺点的实施方式。
图I示出了根据本公开的实施例的微粒传感器的互相连接的示意性图解。图2示出了根据本公开的实施例的微粒传感器的放大电路的第一变体。图3示出了根据本公开的实施例的微粒传感器的放大电路的第二变体。图4示出了根据本公开的实施例的微粒传感器的测量电路。图5是示出了根据本公开的实施例的微粒传感器的示例性方法的流程图。
具体实施例方式根据本公开的第一方面，排气系统的微粒传感器包含传感器兀件和用于放大传感器元件的参照电压的集成放大电路。一般地，在排气系统中可以使用微粒或固体传感器来检测排气流中的固体组分且还检测排气流中的可溶性组分。为此，利用传统的电阻式元件，其中当来自排气的物质沉淀在传感器元件上时该电阻式元件的电阻改变。这要求通过周期性地增加传感器元件的温度以便蒸发积聚的物质，从而使传感器进行定期再生。传感器信号关于时间的导数可以用于计算排气中固体或可溶性物质的质量通流。如果过滤器下游的碳烟排放超过诊断阈值，则这种传感器概念也可以被看作是用于检测微粒过滤器的泄漏的手段。提出的微粒传感器在传感器的位置处对电源电压进行局部放大。用这种方式获得了灵活性和设计自由度，这是因为可以独立于动力传动系统的控制单元及其制造商而获得所需参照电压，并且因为最小化了由EMF所导致的不利影响。而且，该微粒传感器可以用于任意现有系统，这是因为使用的是外部标准化的终端和电压。放大电路可以被布置在微粒传感器的火花塞插接套中。火花塞插接套可以是用于连接到机动车辆的接线器的火花塞插接套。放大电路在火花塞插接套中的布置允许在微粒传感器的输入处放大参照电压，也就是说，甚至在传感器元件之前放大参照电压，并且因此允许微粒传感器具有简单的内部构造。放大电路可以生成30伏特-40伏特的参照电压。从12伏特的传统电源电压或参照电压开始，放大电路将参照电压放大到近似30伏特-40伏特的升高电压电平，这使得可以增加测量灵敏度。放大电路可以具有直流转换器。直流转换器可以通过简单的方式提供被放大的参照电压。例如，直流转换器可以用于生成30伏特的参照电压。放大电路可以具有电压调节器。电压调节器可以由12伏特电源提供特定电压，例如10伏特。借助于几个电压调节器和/或直流转换器的组合或单独的电压调节器和/或直流转换器可以精确地设定所需或被限定的被放大的参照电压。
微粒传感器可以包含连接到传感器元件的测量电路。测量电路例如通过直接或间接地测量电阻来评估传感器元件，并且可以输出测量信号或采样信号。放大电路可以连接到测量电路，以便提供被放大的参照电压。因此，放大电路可以为测量电路提供参照电压和/或电源电压。根据本公开的第二方面，具有内燃发动机的机动车辆的排气系统包含如上所述的微粒传感器。应用与以上所描述的优势和改进相同的优势和改进。根据本公开的进一步的方面，用于使用微粒传感器来确定内燃发动机的排气中的微粒的方法包括提供参照电压；在微粒传感器中放大参照电压；和借助于微粒传感器来确定微粒。涉及与以上所述的优势和改进相同的优势和改进。附图仅仅是为了说明本公开，而非限制本公开。不必须按照比例绘制附图和单个的零件。相同的附图标记用于表示相同或相似的零件。图I示意性地示出了具有内燃发动机的机动车辆的排气系统I的一部分。微粒传感器2检测机动车辆的排气流中的微粒或固体成分。机动车辆包含蓄电池系统3，作为传统蓄电池系统，该蓄电池系统3提供12伏特的电压。微粒传感器2连接到蓄电池系统3，其中12伏特的电压用作电源电压或参照电压。微粒传感器2具有火花塞插接套4，该火花塞插接套4用作与蓄电池系统3的可拆卸连接。该火花塞插接套4通常不直接连接而是经由一个或多个接线器间接地连接到蓄电池系统3，以使得火花塞插接套4能够被插入到一部分接线器中。放大电路5被布置在火花塞插接套4内或火花塞插接套4上的微粒传感器2内， 以用于放大12伏特的外部供给电源电压或参照电压。放大电路5被集成到微粒传感器2 中，也就是说，这两者形成一个结构性单元。该单元可以是可分离设计或不可分离设计。下面将基于图2和图3详细地说明放大电路5。微粒传感器2也包含被连接到放大电路5的测量电路6。放大电路5为测量电路 6提供被放大的电源电压或参照电压。下面将基于图4详细地描述测量电路。微粒传感器2包含传感器元件7，该传感器元件7暴露于排气流且例如测量该传感器元件7的电阻，该电阻用于测量被沉淀在传感器元件7上的微粒。传感器单元7被连接到评估或采样传感器元件7的测量电路6。一般使用O伏特-10伏特的电压将测量信号经由微粒传感器2的输出8被输出至例如动力传动系统的控制单元9。控制单元可以包括可执行来实现一个或多个控制例程的指令，所述例程例如是下面关于图5所描述的方法。图I中还示出了耦合到排气通道21的发动机20。微粒过滤器22被定位在排气通道21内。该微粒过滤器被构造为捕集在燃烧期间在发动机20中产生的微粒。这些微粒可以被存储直到达到过滤器上的阈值负载，且之后通过在升高的温度时操作可以再生微粒过滤器。微粒传感器2被布置在微粒过滤器22下游的排气通道21中。在图I中没有示出且还可能没有被包括在此处所述的实施例中的其他元件包括用于将输出发送至控制单元9 的各种传感器(例如确定发动机和/或排气的温度的温度传感器)和接收来自控制单元9 的信号以便警告车辆操作员或其他使用人员微粒过滤器渗漏的故障指示灯或其他机构，这将在下面关于图5更详细地说明。
图2示出了放大电路5的第一变体，该放大电路从12伏特的输入电压生成30伏特的被放大的参照电压。放大电路5包含直流转换器10，例如类型TMR 1223，其输入和输出均是电位空置/ 无电势的(potential-free)。用作已知微粒传感器的参照电压的12伏特的蓄电池系统3 的电源电压被应用到直流转换器10的输入。直流转换器10将所述电压放大至30伏特的参照电压，以用于在此处提出的微粒传感器2。两个电容器形式的输出电路位于直流转换器 10的输出；特别适用于此目的的是例如由钽组成的、在35伏特时电容为IOii F的电解电容器。图3示出了放大电路5的第二变体，其由12伏特的输入电压生成40伏特的被放大的参照电压。如图2中所示，使用具有输出电路的电压转换器10 ;可以使用相同的或相似的部件。而且，提供与电压转换器10并联的电压调节器11。电压调节器11从12伏特的输入电压生成10伏特的输出电压，并且可以是LM12940T10. 0型的电压调节器。现在，输出电路包含三个电容器。电压转换器10和电压调节器11互相连接，以便其总的输出电压产生 40伏特的参照电压。图4通过示例示出了用于评估传感器元件7的测量电路6。测量电路6的负载电容器12和输入电阻器13与传感器元件7并联。此时，传感器元件7是电阻随着积聚的微粒数量变化而变化的电阻元件。具有两个电阻器形式的输入电路的运算放大器14被布置在电路的其他路线中。 该运算放大器14和输入电路接收来自放大电路5的30伏特或40伏特的被放大的参照电压。作为运算放大器14，可以是针对30伏特和40伏特由部件MC33172a，或者针对30伏特由LM258a构成的。另一运算放大器15用作用于在输出8处提供测量信号的输出驱动器，其可以被设计作为BNC套管。可调节的电阻器16被连接在运算放大器15的上游，测量信号在输出8 处的振幅通过该可调节的电阻器16可以被设定在0伏特-10伏特的范围内。由微粒传感器2的测量进行如下。通过蓄电池系统3将12伏特的电源电压、参照电压或基准电压供应给微粒传感器2。在微粒传感器2中，通过放大电路5将所述参照电压放大至30伏特或40伏特的电压电平。利用被放大的参照电压，通过微粒传感器2的测量电路6来测量传感器单元7，并且生成测量信号。在微粒传感器2的输出8处提供测量信号，并将该测量信号发送至机动车辆、动力传动系统、发动机和/或排气后处理系统的其他系统，例如控制单元或控制处理器。转向图5，呈现了用于微粒传感器的方法100。可以通过发动机的控制系统，例如控制单元9，响应来自发动机中的一个或多个传感器(例如微粒传感器2)的反馈来执行方法100。方法100包括，在步骤102向位于发动机的排气系统中的微粒传感器提供参照电压。如上所述，可以在微粒传感器接收来自蓄电池的参照电压。参照电压可以是响应来自控制单元的指示所提供的12伏特或更少的电压，或者当发动机运转时该参照电压可以被自动提供。在步骤104，方法100包括使用耦合到传感器的放大电路在微粒传感器处放大所述参照电压。为了提高传感器的灵敏度，放大电路可以将参照电压放大至30伏特-40伏特的电压。在步骤106,如上所述,基于来自微粒传感器的输出来确定排气中的微粒浓度。
在步骤108，如果微粒浓度超过阈值，则可以表明微粒传感器上游的微粒过滤器渗漏。阈值可以是表明比预期微粒浓度更高的适当阈值。可以基于在微粒过滤器不泄漏情况下排气中的微粒浓度来提前设定该阈值，或者可以基于工况来调整阈值，所述工况例如是发动机速度、负载、温度、微粒过滤器的使用时间等。在一些实施例中，可以只在选择工况下表明渗漏。这些选择工况可以包括在步骤110中发动机温度高于阈值。阈值发动机温度可以是传感器足够热以提供精确读数时的温度，或者可以是另一个适当温度，例如催化剂起燃温度。选择工况也可以包括在步骤112中传感器上的微粒负载低于阈值。如先前所述， 微粒传感器可以积聚微粒物质直到其达到阈值，此时可以在升高的温度运转微粒传感器从而去除积聚的微粒。在此期间，传感器可能不会提供精确的读数。选择情况也可以包括在步骤114中微粒传感器上游的微粒过滤器正处于非再生状态。微粒过滤器可以周期性地再生，从而去除被捕集的微粒。可以基于自从上一次再生之后的时间或是其他适当机制来确定过滤器再生。如果表明微粒过滤器中出现渗漏，那么方法100包括在步骤116设定代码来表明渗漏。这可以可替代地或额外地包括点亮故障指示器以便于通知车辆操作员存在渗漏。将理解的是，此处所公开的结构和方法本质上均是示例性的，并且并不是以限制性的意义考虑这些特定的实施例，因为可以存在大量的改变。例如，上述技术可以应用于 V-6、1-4、1-6、V-12、对置4和其他发动机类型。本公开的主题包括这里公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和不明显的组合和子组合。权利要求具体地指出被认为是新颖的和不明显的某些组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解，这些权利要求包括一个或多个这样的元件，既不需要也不排除两个或多个这样的元件。可以通过修改本权利要求或是通过在本申请或相关申请中提出的新权利要求来要求所公开特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合。这样的权利要求，无论是比原始权利要求的范畴更宽、更窄、相等或不同，均被视为被包括在本公开的主题内。
权利要求
1.一种用于排气系统的微粒传感器，包含传感器元件；和用于为了所述传感器元件来放大参照电压的集成放大电路。
2.根据权利要求I所述的微粒传感器，其中所述放大电路被布置在所述微粒传感器的火花塞插接套中。
3.根据权利要求I所述的微粒传感器，其中所述放大电路生成30伏特-40伏特的参照电压。
4.根据权利要求I所述的微粒传感器，其中所述放大电路具有直流转换器。
5.根据权利要求I所述的微粒传感器，其中所述放大电路具有电压调节器。
6.根据权利要求I所述的微粒传感器，进一步包含连接到所述传感器元件的测量电路。
7.根据权利要求6所述的微粒传感器，其中所述放大电路被连接到所述测量电路，以便提供被放大的参照电压。
8.一种用于具有内燃发动机的机动车辆的排气系统，其具有权利要求I所述的微粒传感器。
9.一种用于内燃发动机的排气中的微粒传感器的方法，所述方法包含提供参照电压；在所述微粒传感器中放大所述参照电压；和基于来自所述微粒传感器的输出来确定微粒的浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中提供参照电压进一步包含由所述内燃发动机的蓄电池来提供12伏特的参照电压。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述微粒传感器中放大所述参照电压进一步包含使用放大电路将所述参照电压放大至30伏特-40伏特的电压。
12.根据权利要求9所述的方法，其中由所述发动机的蓄电池提供所述参照电压。
13.根据权利要求9所述的方法,其中基于来自所述微粒传感器的输出来确定所述微粒的浓度进一步包含确定所述微粒传感器的电阻。
14.一种发动机系统,包含被置于排气系统中的微粒过滤器；在所述微粒过滤器下游的微粒传感器，所述微粒传感器包括放大电路以便放大来自蓄电池的参照电压；和控制单元，包括指令以便在选择情况下，如果所述微粒传感器的输出超过阈值，则指示所述微粒过滤器出现渗漏。
15.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述参照电压是12伏特。
16.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述参照电压在所述放大电路中被放大至30伏特。
17.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述参照电压在所述放大电路中被放大至40伏特。
18.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述选择情况包含发动机温度高于阈值。
19.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述选择情况包含所述微粒传感器上的微粒负载低于阈值。
20.根据权利要求14所述的发动机系统，其中所述选择情况包含所述微粒过滤器处于非再生状态。
全文摘要
本发明提供了一种用于排气系统的微粒传感器。在一个实施例中，所述微粒传感器包含传感器元件和用于放大所述传感器元件的参照电压的集成放大电路。通过这种方式，所述微粒传感器可以提供更高的灵敏度。
文档编号G01N27/04GK102608166SQ20121001792
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月19日 优先权日2011年1月20日
发明者G·汉芬尼斯, Y·M·S·雅克布 申请人:福特环球技术公司