DE102012206524A1

DE102012206524A1 - Gerät zur erfasssung von partikeln und korrekturverfahren eines geräts zur erfassung von partikeln

Info

Publication number: DE102012206524A1
Application number: DE102012206524A
Authority: DE
Inventors: Eriko Maeda; Takehito Kimata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-04-21
Also published as: US20120266646A1; JP5418611B2; US9574512B2; DE102012206524B4; JP2012233874A

Abstract

Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln und ein Korrekturverfahren des Geräts zur Erfassung von Partikeln, das Partikel in einem zu messenden Gas erfasst, sind bereitgestellt. Das Korrekturverfahren korrigiert die individuellen Differenzen, die zwangsläufig aufgrund des Herstellungsvorgangs von Partikelerfassungssensoren auftreten. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln umfasst eine Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung wendet Korrekturinformationen, die durch das Korrekturverfahren erfasst werden, bei einer Erfassungssteuerung an.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der vorangegangenen japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-94654 , die am 21. April 2011 eingereicht wurde, und der vorangegangenen japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-1803 , die am 10. Januar 2012 eingereicht wurde, und beansprucht deren Priorität, wobei auf den gesamten Inhalt hiervon Bezug genommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Erfassung von Partikeln und ein Korrekturverfahren eines Geräts zur Erfassung von Partikeln, das beispielsweise in einem Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln erfasst die in einem gemessenen Gas vorhandenen Partikel (Feinstaub).
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
In einer Dieselkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und dergleichen ist ein Dieselpartikelfilter (nachstehend entsprechend als ”DPF” bezeichnet) bei einem Abgasweg bereitgestellt. Der DPF sammelt Umweltschadstoffe, die in dem Abgas beinhaltet sind, insbesondere Partikel bzw. Schwebstoffe bzw. Feinstaub (PM), die hauptsächlich aus Rußpartikeln und löslichen organischen Fraktionen bzw. Anteilen (SOF) bestehen. Der DPF ist aus einer porösen Keramik mit hervorragender Wärmefestigkeit hergestellt. Der DPF fängt die PM als Ergebnis des Hindurchgehens des Abgases durch eine Unterteilungswand mit zahlreichen feinen Poren ein.
Wenn die Menge von gesammelten PM eine zulässige Menge überschreitet, wird der DPF verstopft. Ein negativer Druck kann ansteigen. Alternativ hierzu kann die Menge von PM, die durch den DPF entkommt, ansteigen. Folglich ist es erforderlich, dass eine Sammelfähigkeit durch einen Regenerationsvorgang des DPF, der periodisch ausgeführt wird, wieder hergestellt wird.
Im Allgemeinen wird die Regenerationszeitsteuerung bzw. der Regenerationszeitpunkt des DPF durch die Erfassung einer Zunahme eines Differenzialdrucks bei beiden Enden des DPF bestimmt, die durch eine Vergrößerung der Menge von gesammelten PM verursacht wird. Folglich ist ein Differenzialdrucksensor bereitgestellt, der die Differenz in einem Druck stromaufwärts und stromabwärts von dem DPF erfasst.
Der DPF wird durch ein Hochtemperaturabgas, das in den DPF eingebracht wird, durch ein Erwärmen unter Verwendung einer Erwärmungseinrichtung oder mittels einer Nacheinspritzung (Post-Einspritzung) regeneriert, wobei die PM durch Verbrennen entfernt werden.
Demgegenüber ist ebenso ein PM-Erfassungssensor vorgeschlagen worden, der direkt die PM in dem Abgas erfasst, beispielsweise in der JP-A-S59-197847 und der JP-A-2008-502892 . Der PM-Erfassungssensor ist beispielsweise stromabwärts von dem DPF bereitgestellt und misst die Menge von PM, die durch den DPF entkommt. Folglich kann der PM-Erfassungssensor in einer bordeigenen Diagnosevorrichtung (On-Board-Diagnosevorrichtung bzw. OBD-Vorrichtung) verwendet werden, um einen Betriebszustand des DPF zu überwachen oder um Anomalien zu erfassen (wie beispielsweise Brüche bzw. Risse und Beschädigungen).
Des Weiteren ist ebenso eine Verwendung des PM-Erfassungssensors anstelle des Differenzialdruckssensors diskutiert worden, um die Regenerationszeitsteuerung bzw. den Regenerationszeitpunkt des DPF zu bestimmen. Bei diesem Beispiel ist der PM-Erfassungssensor stromaufwärts von dem DPF bereitgestellt und misst die Menge von PM, die in den DPF hineingeht.
Die JP-A-S59-197847 offenbart einen Rauchsensor eines elektrischen Widerstandstyps. Der Rauchsensor ist derart konfiguriert, dass ein Paar von kammförmigen Elektroden auf einer Frontoberfläche eines Substrats mit isolierenden Eigenschaften ausgebildet ist, wobei ein Erwärmungselement auf einer Rückseite oder in dem Substrat ausgebildet ist. Dieser Typ eines Rauchsensors nutzt, dass Rauch (Ruß) eine Leitfähigkeit aufweist, wobei er einen elektrischen Widerstand erfasst, der erzeugt wird, wenn sich Rauch bzw. Schmauch zwischen den Elektroden, die als ein Erfassungsabschnitt dienen, ansammelt. Ein wärmebeständiges Isolationsmaterial wird als Substratmaterial verwendet. Ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin, Silber oder dergleichen, wird als Elektrodenmaterial verwendet. Ein Paar von Elektroden wird durch ein Siebdrucken von Edelmetallpaste auf einer Frontoberfläche eines plattenförmigen Substrats ausgebildet.
Auf einer Rückseite des Substrats wird ein Erwärmungselement entgegengesetzt zu der Elektrode ausgebildet. Der Erfassungsabschnitt wird auf eine gewünschte Temperatur, beispielsweise von 400°C bis 1000°C, erwärmt, wodurch der abgelagerte Rauch bzw. Schmauch weggebrannt wird. Dann wird ein Zwischenelektrodenwiderstand gemessen. Als Ergebnis wird eine Erfassungsfähigkeit des Sensors wiederhergestellt.
Die JP-A-2008-502892 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Ablagerung von Ruß auf einem Sensor. In diesem Verfahren wird eine Hochspannung zwischen Erfassungselektroden angelegt. Ein elektrisches Feld wird zwischen den Elektroden erzeugt. Die PM, die nahe den Erfassungselektroden passieren, werden durch eine elektrostatische Anziehungskraft angezogen, die durch das elektrische Feld erzeugt wird. Ein Sammeln von PM wird gefördert. Die gesammelten PM werden zwischen den Erfassungselektroden angesammelt. Als Ergebnis einer Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Erfassungselektroden, der sich in Abhängigkeit der Menge von angesammelten PM ändert, wird die Menge von angesammelten PM gemessen.
Die elektrischen Eigenschaften, die verwendet werden, um die PM in einem zu messenden Gas zu erfassen, sind nicht auf den elektrischen Widerstand begrenzt, der sich in Abhängigkeit der Menge von PM ändert, die sich zwischen den Erfassungselektroden angesammelt hat. Verschiedene elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise eine Kapazität oder Stromänderungen, die eine elektrochemische Reaktion begleiten, können ebenso verwendet werden.
Die JP-A-2010-32488 offenbart ein Gerät zur Erfassung von Partikeln, das einen Widerstand, eine Induktanz, eine Kapazität und eine Impedanz als elektrische Eigenschaften verwendet. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln umfasst eine plattenförmige erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine Leistungszufuhr für ein Staubsammeln, ein Paar von Messelektroden, eine Eigenschaftsmesseinrichtung und eine Einrichtung zur Berechnung einer Menge von Partikeln. Eine Oberfläche der ersten Elektrode ist durch ein Dielektrikum (nachstehend als ein Zwischenelektrodendielektrikum bezeichnet) abgedeckt. Die zweite Elektrode bildet ein Paar mit der ersten Elektrode. Die Leistungszufuhr für ein Staubsammeln legt eine Spannung an. Das Paar von Messelektroden ist auf der Oberfläche des Zwischenelektrodendielektrikums angeordnet, um einander gegenüberzuliegen. Die zweite Elektrode ist auf der Seite der einen Oberfläche der ersten Elektrode mit einem Raum dazwischen angeordnet. Ein Gas, das PM beinhaltet, strömt durch diesen Raum. Eine Elektrizität wird als Ergebnis einer Spannung, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt wird, entladen. Die Eigenschaftsmesseinrichtung misst die elektrischen Eigenschaften zwischen dem Paar von Messelektroden. Die Einrichtung zur Berechnung einer Menge von Partikeln bestimmt die Menge von PM, die auf der Oberfläche des Zwischenelektrodendielektrikums angesammelt ist, auf der Grundlage der Größe einer Änderung in elektrischen Eigenschaften, die durch die Eigenschaftsmesseinrichtung gemessen wird.
Demgegenüber offenbart die JP-A-2010-54432 einen Sensor, der eine Menge von Kohlenstoff erfasst. Der Kohlenstoffmengenerfassungssensor umfasst zumindest einen Protonenleiter, ein Elektrodenpaar und eine Leistungszufuhr. Der Protonenleiter ist aus einem Festelektrolyt aufgebaut, das eine Protonenleitfähigkeit aufweist. Das Elektrodenpaar ist aus einer Messelektrode und eine Bezugselektrode aufgebaut, die auf der Oberfläche des Protonenleiters ausgebildet sind. Die Leistungszufuhr führt einen vorbestimmten Strom oder eine vorbestimmte Spannung zwischen dem Elektrodenpaar zu. Die Messelektrode ist auf der gegenüberliegenden Seite des zu messenden Gases angeordnet, und die Bezugselektrode ist von dem zu messenden Gas isoliert. Als Ergebnis einer Messung der Änderungen in einem Strom oder einer Spannung, der/die durch eine elektrochemische Reaktion mit den PM innerhalb des zu messenden Gases auf der Oberfläche der Messelektrode fließt, wird die Menge von PM erfasst.
Im Allgemeinen sind Sensoren, wie beispielsweise PM-Erfassungssensoren und Sauerstofferfassungssensoren, bei einem Strömungsweg des zu messenden Gases über ein Gehäuse fixiert. Beispielsweise wird in der JP-A-2009-97868 ein Erfassungselement, das in dem zu messenden Gas platziert ist, geschützt, indem es durch einen im Wesentlichen zylindrischen Abdeckungskörper, der ein vorbestimmtes Loch aufweist, abgedeckt wird.
In einem tatsächlichen Herstellungsvorgang ist es jedoch schwierig, die Richtung des Erfassungselements des Sensorelements auf die Richtung des Einlasses für ein zu messendes Gas, der in jedem Abdeckungskörper bereitgestellt ist, abzustimmen, wenn das Sensorelement und der Abdeckungskörper zu dem Gehäuse für jeden Sensor zusammengebaut werden. Wenn die Richtung des Sensorelements auf die Richtung des Abdeckungskörpers für jeden Sensor abgestimmt wird, wird die Arbeitsleistung außerordentlich schlecht. Herstellungskosten des Partikelerfassungssensors steigen an.
Demgegenüber verbessert sich die Arbeitsleistung, wenn der Partikelerfassungssensor ohne Rücksicht auf die Richtung des Sensorelements und die Richtung des Abdeckungskörpers zusammengebaut wird. Die Richtung des Erfassungselements und die Richtung des Einlasses für ein zu messendes Gas, der in dem Abdeckungskörper bereitgestellt ist, variieren jedoch. Die Strömung des zu messenden Gases, das in den Abdeckungskörper eingebracht wird, unterscheidet sich in jedem Sensor. Als Ergebnis werden individuelle Differenzen in einer Ausgabe in Bezug auf die Sammelleistungsfähigkeit von Partikeln, die in dem zu messenden Gas beinhaltet sind, in dem Erfassungselement und der Menge von angesammelten Partikeln größer. Eine Zuverlässigkeit als Sensor nimmt signifikant ab.
In einigen Beispielen kann eine Vielzahl von Elektroden in einem einzelnen Sensorelement angeordnet sein. Die Sammelelektrode sammelt die PM unter Verwendung einer elektrostatischen Anziehungskraft, indem ein elektrisches Feld an die zu erfassenden PM angelegt wird. Zusätzlich zu den Sammelelektroden kann eine Erfassungselektrode zur Erfassung von elektrischen Eigenschaften bereitgestellt sein. In diesen Beispielen treten zwangsläufig Variationen in der tatsächlichen Entfernung zwischen Elektroden auf. Die Variationen in einem Zwischenelektrodenabstand verursachen Variationen in einer Feldstärke, die zwischen den Elektroden erzeugt wird. Die Menge von PM, die in dem Erfassungselement gesammelt wird, ändert sich, und individuelle Differenzen in Erfassungsergebnissen treten auf.
Die Entfernung zwischen Elektroden, die tatsächlich hergestellt worden sind, kann durch eine Bildverarbeitung oder dergleichen gemessen werden. Es ist jedoch sehr schwierig, die Variationen in Ausgabeergebnissen durch Klassifikation jedes Sensorelements in Ränge auf der Grundlage der Verteilung von Zwischenelektrodenentfernungen in einem Herstellungslos oder dergleichen zu reduzieren. Eine Kosteneffizienz ist ebenso schlecht.
Außerdem ist ebenso ein Verfahren bekannt, bei dem das Sensorelement mit einem Durchgangsloch versehen ist. Die Elektroden zum Sammeln sind über und unter das Durchgangsloch gesetzt. Als Ergebnis eines elektrischen Felds, das zwischen den Sammelelektroden erzeugt wird, werden die PM gesammelt. Allerdings ist auch in diesen Verfahren eine Sicherstellung der Entfernung zwischen Elektroden schwierig. Individuelle Differenzen treten in der Feldstärke auf, die tatsächlich erzeugt wird. Variationen in Ausgabeergebnissen treten auf.
KURZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht worden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gerät zur Erfassung von Partikeln bereitzustellen, das die Menge von Partikeln, die in einem zu messenden Gas beinhaltet ist, erfasst, um mit hoher Genauigkeit die in dem zu messenden Gas beinhalteten Partikel zu erfassen. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln umfasst ein Korrekturverfahren und eine Korrektureinrichtung. Das Korrekturverfahren korrigiert die individuellen Differenzen, die zwangsläufig während des Herstellungsvorgangs von Partikelerfassungssensoren auftreten. Die Korrektureinrichtung wendet Korrekturinformationen, die durch das Korrekturverfahren erfasst werden, bei einer Erfassungssteuerung an.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gerät zur Erfassung von Partikeln, das Partikel in einem zu messenden Gas erfasst. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln umfasst einen Partikelerfassungssensor, eine Felderzeugungsleistungseinheit und einen Messabschnitt. Der Partikelerfassungssensor umfasst zumindest ein Sensorelement, das das Erfassungselement aufweist, in dem eine Elektrode zum Sammeln oder eine Elektrode, die separat von der Elektrode zum Sammeln bereitgestellt ist, als eine Erfassungselektrode verwendet wird, die eine elektrische Eigenschaft erfasst, die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt wird, wobei die Elektrode zum Sammeln dazu dient, die Partikel in dem zu messenden Gas in einem Erfassungselement unter Verwendung einer Anziehungskraft zu sammeln, die durch ein elektrisches Feld erzeugt wird, das durch die Felderzeugungsleistungseinheit erzeugt wird; einen Abdeckungskörper, der das Sensorelement schützt; und ein Gehäuse, das das Erfassungselement in dem zu messenden Gas platziert. Der Messabschnitt misst die elektrische Eigenschaft, die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln in dem zu messenden Gas ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt wird. In dem Gerät zur Erfassung von Partikeln ist eine Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung bereitgestellt. Eine tote Masse bzw. Totmasse ist ein Wert, bis eine Ausgabe, die in Bezug auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung bzw. Kalibrierungsgas erzeugt wird, das eine bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr wird. Wenn die tote Masse größer als eine tote Masse eines Partikelerfassungssensors zur Kalibrierung bzw. Kalibrierungpartikelerfassungssensors, der als ein Bezug dient, wird, hält die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, bei einem vorbestimmten Angelegte-Spannung-Wert und behält eine Feldstärke bei, um die tote Masse zu verringern. Wenn die tote Masse kleiner als die tote Masse des Partikelerfassungssensors zur Kalibrierung, der als ein Bezug dient, wird, stellt die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, ein, um kleiner als eine vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung oder höher als eine vorbestimmte obere angelegte Schwellenspannung zu sein, und korrigiert die Feldstärke, um die tote Masse zu vergrößern.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist ein Korrekturverfahren des Geräts zur Erfassung von Partikeln, das vorstehend beschrieben ist. Eine tote Masse bzw. Totmasse ist ein Wert, bis eine Ausgabe, die in Bezug auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung, das eine bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, erzeugt wird, ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr wird. In dem Korrekturverfahren wird, wenn eine tote Masse größer als eine tote Masse eines Partikelerfassungssensors zur Kalibrierung, der als ein Bezug dient, wird, die Spannung, die an das Erfassungselement angelegt wird, in einem Bereich von einer vorbestimmten unteren angelegten Schwellenwertspannung zu einer vorbestimmten oberen angelegten Schwellenwertspannung gehalten, in dem eine Feldstärke die ist, die die tote Masse minimiert. Wenn die tote Masse kleiner als die tote Masse des Partikelerfassungssensors zur Kalibrierung, der als ein Bezug dient, ist, wird die Spannung, die zwischen Erfassungselektroden durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, eingestellt, um kleiner als die vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung oder höher als die vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung zu sein, wobei die tote Masse näher an die tote Masse des Partikelerfassungssensors zur Kalibrierung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
1A und 1B schematische Diagramme, die einen Überblick über das Gerät zur Erfassung von Partikeln gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen,
1A eine Draufsicht des Sensorelements,
1B eine allgemeine Darstellung des Geräts zur Erfassung von Partikeln,
2A ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Verstärkerschaltung zeigt, die in dem Gerät zur Erfassung von Partikeln, wie es in 1A gezeigt ist, verwendet wird,
2B ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Widerstandserfassungsschaltung und einer Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung zeigt,
2C ein Flussdiagramm eines Korrekturverfahrens für eine Erfassung von Partikeln gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3A ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Feldstärke und der Sammelleistungsfähigkeit zeigt, wobei die Feldstärke durch die zwischen den Erfassungselektroden angelegte Spannung erzeugt wird,
3B ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen einer Feldstärke und einer toten Masse bzw. Totmasse zeigt,
4A und 4B Diagramme, die als ein Vergleichsbeispiel 1 eine individuelle Differenz in einem Zustand zeigen, in dem die Richtung des herkömmlichen Sensorelements und die Richtung des Abdeckungskörpers abgestimmt worden sind,
4A ein Kennliniendiagramm, das Variationen der Sensorausgabe in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln zeigt,
4B ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der toten Masse zeigt,
5A und 5B Diagramme, die als ein Vergleichsbeispiel 2 eine individuelle Differenz in einem Zustand zeigen, in dem die Richtung des herkömmlichen Sensorelements und die Richtung des Abdeckungskörpers nicht abgestimmt worden sind,
5A ein Kennliniendiagramm, das Variationen der Sensorausgabe in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln zeigt,
5B ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der toten Masse zeigt,
6A und 6B Diagramme, die als ein Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung eine individuelle Differenz in einem Zustand zeigen, in dem die Richtung des herkömmlichen Sensorelements und die Richtung des Abdeckungskörpers nicht abgestimmt worden sind und eine Sensorausgabe durch die Korrektureinrichtung korrigiert worden ist,
6A ein Kennliniendiagramm, das Variationen einer Sensorausgabe in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln zeigt,
6B ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der toten Masse zeigt,
7A und 7B eine Modifikation eines Geräts zur Erfassung von Partikeln gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7A eine perspektivische Entfaltungsansicht,
7B eine Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts,
8 eine perspektivische Entfaltungsansicht eines Geräts zur Erfassung von Partikeln gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
9 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Schaltungsdiagramms zeigt, das in dem Gerät zur Erfassung von Partikeln, wie es in 8 gezeigt ist, verwendet wird,
10A und 10B Kennliniendiagramme, die als ein Vergleichsbeispiel 3 das Problem in einem Zustand zeigen, in dem das Gerät, das ähnlich zu dem in 8 gezeigten Gerät ist, nicht unter Verwendung des Korrekturverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung korrigiert worden ist,
10A ein Kennliniendiagramm, das Variationen einer Sensorausgabe in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln zeigt,
10B ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der toten Masse zeigt,
11A und 11B Diagramme, die als ein Beispiel 2 gemäß der vorliegenden Erfindung die Wirkung des in 8 gezeigten Geräts zeigen, wobei 11A ein Kennliniendiagramm zeigt, das eine Beziehung zwischen der Feldstärke und der Sammelleistungsfähigkeit zeigt, wobei die Feldstärke durch die zwischen den Erfassungselektroden angelegte Spannung erzeugt wird, und 11B ein Kennliniendiagramm zeigt, das eine Beziehung zwischen der Feldstärke und der toten Masse zeigt,
12 eine perspektivische Entfaltungsansicht, die eine Modifikation eines Geräts zur Erfassung von Partikeln gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
13 eine perspektivische Entfaltungsansicht, die ein Gerät zur Erfassung von Partikeln gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
14 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Schaltungsdiagramms zeigt, das in, dem in 13 gezeigten Gerät zur Erfassung von Partikeln verwendet wird,
15A und 15B Kennliniendiagramme, die als ein Vergleichsbeispiel 4 das Problem in einem Zustand zeigen, in dem das Gerät, das zu dem in 13 gezeigten Gerät ähnlich ist, nicht unter Verwendung des Korrekturverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung korrigiert worden ist,
15A ein Kennliniendiagramm, das Variationen der Sensorleistung in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln zeigt,
15B ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der toten Masse zeigt,
16A und 16B Diagramme, die als ein Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung die Wirkung des in 13 gezeigten Geräts zeigen,
16A ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Feldstärke und der Sammelleistungsfähigkeit zeigt, wobei die Feldstärke durch die zwischen den Erfassungselektroden angelegte Spannung erzeugt wird,
16B ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Feldstärke und der toten Masse zeigt, und
17 ein Kennliniendiagramm, das die Wirkung einer Unterdrückung von Variationen der Sensorausgabe gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln und ein Korrekturverfahren für eine Erfassung von Partikeln gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 1 bis Fig. 6)
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1A, 1B sowie 2A bis 2C beschrieben. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei einer Abgasemissionssteuerungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine angewendet und zur Erfassung von ausgestoßenen Partikeln bzw. von ausgestoßenen Schwebstoffen bzw. ausgestoßenem Feinstaub verwendet. Spezifisch ist das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 stromabwärts von einem Dieselpartikelfilter (DPF) eingesetzt und wird zur Erfassung einer Anomalie in dem DPF verwendet. Alternativ hierzu wird das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 stromaufwärts zu dem DPF eingesetzt und in einem System verwendet, das direkt die in den DPF strömenden Partikel erfasst. Hierbei erfasst das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 die PM in dem zu messenden Gas.
Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst einen Partikelerfassungssensor 4 und einen Erfassungssteuerungsabschnitt 5.
Der Partikelerfassungssensor 4 ist durch ein Sensorelement 1, einen Abdeckungskörper 12 und ein Gehäuse 3 konfiguriert. Das Sensorelement 1 umfasst Erfassungselektroden 11 und 12, die elektrische Eigenschaften erfassen, die sich bei einer Erfassung der Menge von PM, die in einem Erfassungselement 13 gesammelt wird, ändern. Der Abdeckungskörper 2 schützt das Sensorelement 1. Das Gehäuse 3 platziert das Erfassungselement 13 in dem zu messenden Gas.
Der Erfassungssteuerungsabschnitt 5 ist durch eine Leistungseinheit 50 und einen Messabschnitt 51 konfiguriert.
Die Leistungseinheit 50 dient als eine Leistungszufuhreinheit für ein Messen und als eine Felderzeugungsleistungseinheit. Die Leistungszufuhreinheit für ein Messen misst elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise Widerstandswerte, die sich in Abhängigkeit von der Menge von PM ändern, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt wird. Die Felderzeugungsleistungseinheit legt eine hohe Spannung zwischen die Erfassungselektroden 11 und 12 des Sensorelements 1 an und erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12.
Der Messabschnitt 51 misst elektrische Eigenschaften, die sich in Abhängigkeit der Menge von PM ändern, die in dem zu messenden Gas beinhaltet sind, die sich in dem Erfassungselement 13 angesammelt hat.
Die Leistungseinheit 50 und der Messabschnitt 51 sind nachstehend ausführlich beschrieben.
Insbesondere ist eine Charakteristik der vorliegenden Erfindung, dass eine Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung bzw. Korrektureinrichung für eine angelegte Spannung 511, die eine Feldstärke korrigiert, in Verbindung mit dem nachstehend beschriebenen Korrekturverfahren unter Bezugnahme auf 2A bis 2C bereitgestellt ist. In der Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 wird, wenn eine Totmasse bzw. tote Masse Q₀ größer als eine Totmase bzw. tote Masse Q_0REF ist, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit 50 angelegte Spannung bei einem vorbestimmten angelegten Spannungswert V_OUT (V_LL ≤ V_OUT ≤ V_HL) gehalten, wobei eine Feldstärke, die die tote Masse Q₀ verringert, beibehalten wird. Die tote Masse Q₀ ist ein Wert, bis die Ausgabe, die in Bezug auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung, das eine bekannte Menge von PM beinhaltet, erzeugt wird, ein vorbestimmter Schwellenwert V_REF oder höher wird. Die tote Masse Q_0REF ist ein Wert eines Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung bzw. Kalibrierungspartikelerfassungssensors 4_REF (nachstehend als Sensor für eine Kalibrierung 4_REF bezeichnet), der als ein Bezug dient. Wenn die tote Masse Q₀ kleiner als die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ist, der als Bezug dient, wird die Spannung V_OUT, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit 50 angelegt wird, verkleinert, um kleiner als eine vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung V_LL oder höher als eine vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung V_HL zu sein, und die Feldstärke wird korrigiert, um die tote Masse Q₀ zu vergrößern.
Zusätzlich ist die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ein Wert, der bei einer angelegten Spannung V_OUT gemessen wird, bei der die Feldstärke 1,0 kV/mm wird. Unter Verwendung dieses Messwerts wird eine Korrektur in Verbindung mit dem nachstehend beschriebenen Korrekturverfahren ausgeführt.
Wie es in 1A gezeigt ist, ist das Erfassungselement 13 des Sensorelements 1 durch ein Paar von Erfassungselektroden 11 und 12 ausgebildet. Die Erfassungselektroden 11 und 12 sind auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats 10 angeordnet, so dass sie sich einander mit einer bestimmten Raumgröße dazwischen gegenüberliegen.
Die Erfassungselektroden 11 und 12 sind sogenannte kammförmige Elektroden, von denen jede in einer Kammform geformt ist. Die Erfassungselektroden 11 und 12, die wechselweise unterschiedliche Polaritäten aufweisen, sind derart angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen und in einer abwechselnden Art und Weise mit einem konstanten Intervall ausgerichtet sind. Die Erfassungselektroden 11 und 12 dienen ebenso als Elektroden zum Sammeln. Die Erfassungselektroden 11 und 12 legen ein elektrisches Feld an die PM in dem zu messenden Gas an, wobei die Anziehungskraft verwendet wird, die durch das elektrische Feld erzeugt wird, das durch die Felderzeugungsleistungseinheit (Leistungseinheit 50) erzeugt wird. Die Erfassungselektroden 11 und 12 sammeln dann die PM in dem Erfassungselement 13 unter Verwendung einer elektrostatischen Anziehungskraft. Die Elektroden zum Sammeln umfassen ebenso ein Beispiel, bei dem die PM unter Verwendung zumindest einer Anziehungskraft, wie beispielsweise einer elektrostatischen Kraft, die durch das elektrische Feld erzeugt wird, das durch die Felderzeugungsleistungseinheit 50 erzeugt wird, gesammelt wird, wobei eine andere Anziehungskraft, wie beispielsweise eine Reibungskraft und eine Trägheitskraft, gleichzeitig verwendet wird.
Das Sensorelement 1 ist mit Erfassungselektrodenanschlussabschnitten 112 und 122 über Erfassungselektrodenleitungsabschnitte 111 und 121 verbunden. Die Erfassungselektroden 11 und 12 sind mit dem Erfassungssteuerungsabschnitt 5 verbunden, der extern bereitgestellt ist.
Das isolierende Substrat 10 ist aus einem isolierenden wärmebeständigen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid oder Spinell, zusammengesetzt. Das isolierende Substrat 10 ist durch ein bekanntes Herstellungsverfahren, wie beispielsweise das Rakelverfahren oder das Formpressverfahren, ausgebildet, um im Wesentlichen plattenförmig zu sein.
Die Erfassungselektroden 11 und 12 sind aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Platin, zusammengesetzt und werden durch ein bekanntes Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Siebdruck, Beschichten bzw. Metallisieren oder Aufdampfen ausgebildet.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist das Erfassungselement 13, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, durch den Abdeckungskörper 2 abgedeckt. Der Abdeckungskörper 2 ist in einer mit einem Boden versehenen, im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet. Das Sensorelement 1 wird in einer isolierten Art und Weise gehalten und bei der Innenseite einer Gehäusebasis 30 mit einem dazwischen angebrachten Isolator 31 fixiert. Die Gehäusebasis 30 ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet. Das Sensorelement 1 ist bei einem Strömungsweg für ein zu messendes Gas 8, durch den ein zu messendes Gas 80 strömt, durch das Gehäuse 3 fixiert.
Der Abdeckungskörper 2 weist eine Doppelzylinderstruktur auf, in der sich ein innerer Zylinder 20 und ein äußerer Zylinder 21, die in einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form ausgebildet sind, überlappen. Der innere Zylinder 20 ist mit Abdeckungslöchern 201 und 202 versehen. Der äußere Zylinder 21 ist mit Abdeckungslöchern 211 und 212 versehen. Das zu messendes Gas wird zu dem Erfassungselement 13 des Sensorelements 1 über die Abdeckungslöcher 201, 202, 211 und 212 geführt, während die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Gases verringert wird. Als Ergebnis ist ein Strömungsweg derart konfiguriert, dass die Korngröße der Partikel, die zu dem Erfassungselement 13 mit dem zu messenden Gas geführt werden, innerhalb eines Bereichs liegt, der kleiner als eine bestimmte Größe ist.
Die Erfassungselektrodenanschlussabschnitte 112 und 122 des Sensorelements 1 sind mit dem Erfassungssteuerungsabschnitt 5 durch ein Paar von Signalleitungen 113 und 123 verbunden.
Beispielsweise umfasst, wie es in 2A gezeigt ist, die Leistungseinheit 50 eine Boosterschaltung bzw. Verstärkungsschaltung 500, wie beispielsweise einen DC-DC-Wandler bzw. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Leistungszufuhrspannung +B auf eine vorbestimmte Spannung verstärkt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterschaltelement Tr, wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), durch Ansteuerungssignale von einer Ansteuerungsschaltung DRV geöffnet und geschlossen: Eine Energie, die in einer Drosselspule L gespeichert wird, wird redundant zu einem Kondensator C entladen. Die Spannung wird dann auf eine Ausgabespannung V_OUT verstärkt, die höher als die Leistungszufuhrspannung +B ist, und zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angelegt.
Zu dieser Zeit kann die Spannung, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angelegt wird, durch eine Impulsbreitenmodulationsteuerung (PWM-Steuerung) oder eine Impulsfrequenzmodulationssteuerung (PFM-Steuerung) durch die Ansteuerungssignale, die von der Ansteuerungsschaltung DRV oszilliert werden und die das Schaltelement Tr öffnen und schließen, vergrößert oder verkleinert werden. In der PWM-Steuerung wird die Ausgabespannung V_OUT durch das Einschaltdauerverhältnis bzw. die relative Einschaltdauer (duty ratio) gesteuert, das durch eine Modulation der Impulsbreite eingestellt wird, wobei die Frequenz konstant gehalten wird. In der PFM-Steuerung wird die Ausgabespannung V_OUT durch eine Modulation der Impulsfrequenz gesteuert, wobei die Impulsbreite konstant gehalten wird.
Die Konfiguration der Verstärkungsschaltung 500 ist nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist der Messabschnitt 51 durch eine Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 510 und die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 konfiguriert.
Die Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 511 misst einen Messwiderstand (sense resistance) R_SEN als eine elektrische Eigenschaft, die sich in Abhängigkeit der Menge von Partikeln ändert, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt ist.
Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 vergleicht den Messwiderstand R_SEN, der durch die Einrichtung zum Messen des Messwiderstands 510 gemessen wird, in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln mit einem Standardmesswiderstand R_REF, der in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln ein Standardwert ist. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 bestimmt dann ein Korrekturverfahren auf der Grundlage der Größe einer Abweichung von dem Standardmesswiderstand R_REF.
Genauer gesagt ist, wie es in 2B gezeigt ist, die Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 510 beispielsweise durch Widerstandsteiler R₁ und R₂ sowie ein Differenzialverstärkerschaltungselement konfiguriert. Die Widerstandsteiler R₁ und R₂ sind in Bezug auf den Messwiderstand R_SEN in Reihe geschaltet. Das Differenzialverstärkerschaltungselement misst eine Potenzialdifferenz ΔV an beiden Enden des Messwiderstands R_SEN.
Die angelegte Spannung V_OUT wird durch die Widerstandsteiler R₁ und R₂ und den Messwiderstand R_SEN aufgeteilt. Als Ergebnis der Potentialdifferenz ΔV = V_IN – V_REF1 an beiden Enden des Messwiderstands R_SEN, die durch das Differenzialverstärkerschaltungselement oder dergleichen gemessen wird, kann der Messwiderstand R_SEN identifiziert werden.
Die Änderung in dem Messwiderstand R_SEN in Bezug auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung, das Kohlenstoffpartikel beinhaltet, die die bekannte Menge von Partikeln simulieren, kann im Voraus gemessen werden. Wenn das zu messende Gas, das eine unbekannte Menge von Partikeln beinhaltet, erfasst wird, kann die Menge von Partikeln, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt wird, aus der Beziehung zwischen dem Messwiderstand R_SEN und der Menge von Partikeln berechnet werden.
In dem Partikelerfassungssensor 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Raum zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 in einem isolierten Zustand, sofern keine Partikel zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt sind. Der elektrische Widerstand zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 ist extrem groß. Eine Todzeitdauer, während der eine Erfassung der Sensorausgabe schwierig ist, liegt vor, bis eine bestimmte Menge von Partikeln zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt ist.
Die Menge von Partikel, die sich ansammelt, bis die bestimmte Menge von Partikeln oder mehr zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt ist, die Sensorausgabe den vorbestimmten Schwellenwert V_REF überschreitet und eine Ausgabe erfasst werden kann, ist die tote Masse bzw. Totmasse Q₀.
Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 vergleicht die tote Masse Q₀ mit der toten Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF. Die tote Masse Q₀ ist die, bei der der Messwiderstand R_SEN, der durch die Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 510 erfasst wird, unter Verwendung des zu messenden Gases für eine Kalibrierung, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, ein vorbestimmter Schwellenwert oder größer ist. Die tote Masse Q_0REF wird durch eine externe Korrektureinrichtung 7 in Bezug auf das zu messende Gas für eine Kalibrierung erfasst. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 vergrößert und verkleinert dann die durch die Leistungseinheit 50 angelegte Spannung (nachstehend als angelegte Spannung V_OUT bezeichnet) derart, dass die tote Masse Q₀ und die tote Masse Q_0REF übereinstimmen.
Wie es beispielsweise in 2C gezeigt ist, wird in einer Tote-Masse-Beurteilungsprozedur in einem Schritt S100 die tote Masse Q₀ in Bezug auf die bekannte Menge von Partikeln mit der toten Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF verglichen. Wenn die tote Masse Q₀ des Partikelerfassungssensors 4, der zu korrigieren ist, kleiner als die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ist, schreitet die Verarbeitung zu einer Angelegte-Spannung-Vergrößerung-/Verkleinerung-Prozedur in Schritt S110 voran. Die angelegte Spannung V_OUT wird eingestellt, um kleiner als die untere angelegte Schwellenwertspannung V_LL (etwa –5%) oder höher als die obere angelegte Schwellenwertspannung V_HL (etwa +5%) zu sein, so dass sie außerhalb des Bereichs einer vorbestimmten Bezugspannung ist. Als Ergebnis kann das Ausgabeergebnis näher an das Ausgabeergebnis des Sensors für eine Kalibrierung 4 gebracht werden.
Demgegenüber schreitet in Schritt S100, wenn die tote Masse Q₀ des Partikelerfassungssensors 4, der zu korrigieren ist, größer als die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ist, die Verarbeitung zu einer Angelegte-Spannung-Aufrechterhaltungsprozedur in Schritt S120 voran. Die angelegte Spannung V_OUT wird in einem Bereich aufrechterhalten, der die untere angelegte Schwellenwertspannung V_LL oder höher und die obere angelegte Schwellenwertspannung V_HL oder niedriger ist. Als Ergebnis kann die angelegte Spannung V_OUT aufrechterhalten werden, so dass sie nicht deutlich von dem Ausgabeergebnis des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF abweicht.
Zusätzlich kann ein Partikelerfassungssensor 4, der unter Probestücken, die von einem Herstellungslos entnommen werden, die größte tote Masse Q₀ aufweist, als der Sensor für eine Kalibrierung 4_REF verwendet werden. In diesem Beispiel wird die Ausgabe näher an die Ausgabe des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF gebracht, so dass die Empfindlichkeit von Partikelerfassungssensoren 4, die eine kleine tote Masse Q₀ aufweisen, verringert wird. Folglich können Ausgabevariationen innerhalb eines Herstellungsloses auf sehr einfache Weise verringert werden.
Als Ergebnis einer Korrektur, die unter Verwendung des Korrekturverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht wird, können die individuellen Differenzen zwischen Partikelerfassungssensoren 4, die zwangsläufig während des Herstellungsvorganges entstehen, verringert werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren beschrieben worden, in dem die Sensorausgabe mit der toten Masse Q₀ als ein Bezug korrigiert wird. Das Verfahren ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Eine Korrektur kann ebenso unter Verwendung der Änderung (eines Gradienten) in einer Sensorausgabe in Bezug auf die Änderung in der bekannten Menge von Partikeln als ein Bezug gemacht werden.
Zusätzlich ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Konfiguration beschrieben, in der die Differenz zwischen dem Ausgabeergebnis. des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF und dem Ausgabeergebnis des Partikelerfassungssensors 4, der zu korrigieren ist, im Voraus gemessen wird. Die Differenz wird dann in einem Speicher oder dergleichen als Korrekturinformation gespeichert und verwendet, um jede angelegte Spannung V_OUT einzustellen. Die Konfiguration ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Ein Volumenwiderstand VR, der die Ausgabe der angelegten Spannung V_OUT einstellt, kann in der Verstärkungsschaltung 500 bereitgestellt sein, wobei eine Einstellung für jedes Gerät zur Erfassung von Partikeln 6 gemacht werden kann.
Außerdem kann eine Lernfunktion bereitgestellt werden, bei der unter einer Bedingung, dass die Menge von Partikeln in dem zu messenden Gas stabilisiert ist, das Ausgabeergebnis des Partikelerfassungssensors 4 (wie beispielsweise die Geschwindigkeit einer Vergrößerung des Messwiderstands R_SEN pro Einheitszeit unter der gleichen Bedingung) gelernt wird. Die angelegte Spannung V_OUT wird in Bezug auf eine Verschlechterung über der Zeit des Partikelerfassungssensors 4 eingestellt, wobei eine Korrektur so ausgeführt wird, dass das Ausgabeergebnis in Bezug auf die gleiche Bedingung konstant ist.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf 3A und 3B Wirkungen bezüglich der Änderung einer Sensorausgabe in Bezug auf die Änderung der angelegten Spannung V_OUT des Partikelerfassungssensors 4 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der unteren angelegten Schwellenwertspannung V_LL und der oberen angelegten Schwellenwertspannung V_HL beschrieben.
3A ist ein Kennliniendiagramm, das die Änderung einer Sammelleistungsfähigkeit in Bezug auf die Änderung einer Spannung pro Einheitsentfernung der angelegten Spannung V_OUT zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12, die einander mit einer bestimmten Raumgröße dazwischen gegenüberliegen, oder anders ausgedrückt der Änderung einer Feldstärke E(kV/mm) zeigt, wenn die Entfernung zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 des Sensorelements 1, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beispielsweise auf 50 μm eingestellt ist.
Wie es in 3A gezeigt ist, bildet die Beziehung zwischen der Feldstärke E und einer Sammelleistungsfähigkeit eine im Wesentlichen quadratische Kurvenform, die nach oben herausragt und einen maximalen Wert aufweist. Es ist herausgefunden worden, dass eine Anhaftkraft F(N) zum Sammeln der Partikel in dem Erfassungselement 13 graduell zunimmt, wenn die Feldstärke E zunimmt. Es ist herausgefunden worden, dass die Anhaftkraft F(N) abnimmt, wenn die Feldstärke E über ein bestimmtes Ausmaß hinaus zunimmt.
3A zeigt ein Beispiel, bei dem das Erfassungselement 13 des Partikelerfassungssensors 4 in dem zu messenden Gas angeordnet ist, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet. Die Ergebnisse, die durch Messen der Anhaftkraft F(N) für die Partikel, die in dem Erfassungselement 13 in einer bestimmten Zeitdauer gesammelt wird, während die Spannung V_OUT, die an das Sensorelement 1 von der Leistungseinheit 50 angelegt wird, geändert wird, sind als die Sammelsleistungsfähigkeit angegeben.
3B zeigt ein Beispiel, bei dem die Erfassungselektroden 11 und 12 einander gegenüberliegend mit einer Zwischenelektrodenentfernung von 50 μm platziert sind. Es sind die Ergebnisse gezeigt, die durch Messen der toten Masse Q₀, bei der die Sensorausgabe ein bestimmter Schwellenwert oder mehr wird, während die Spannung, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angelegt wird, geändert wird, erhalten werden.
Wie es in 3B gezeigt ist, wird die tote Masse Q₀ (mg) derart geändert, dass sie eine Kurve bildet, in der die tote Masse Q₀ ein Minimum in Bezug auf die Änderung der Feldstärke E(kV/mm) aufweist. Die tote Masse Q₀ kann minimiert werden und beinahe konstant gehalten werden, wenn die Feldstärke (kV/mm) innerhalb eines bestimmten Bereichs (1,0 kV/mm bis 1,4 kV/mm in dem vorliegenden Beispiel) liegt. Wenn die Feldstärke E unter 1,0 kV/mm liegt, nimmt die tote Masse Q₀ zu, wenn die Feldstärke E abnimmt. Wenn die Feldstärke E 1,4 kV/mm überschreitet, nimmt die tote Masse Q₀ zu, wenn die Feldstärke E zunimmt.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist die Zwischenelektrodenentfernung auf 50 μm eingestellt. Folglich kann die untere angelegte Schwellenwertspannung V_LL auf 50 V eingestellt werden und die obere angelegte Schwellenwertspannung V_HL kann auf 70 V eingestellt werden.
Als ein Grund hierfür wird angenommen, dass die elektrostatische Anziehungskraft, die auf die Partikel wirkt, zunimmt, wenn die Feldstärke zunimmt. Als Ergebnis nimmt eine Sammelleistungsfähigkeit zu. Umgekehrt nimmt, wenn die Feldstärke eine bestimmte Größe überschreitet, die Ladung, die auf der Oberfläche der Partikel aufgebaut wird, zu. Der Abstoßungseffekt zwischen den Teilen von Partikeln nimmt zu, was ein Sammeln schwierig macht.
Zusätzlich ist herausgefunden worden, dass der Bereich der Feldstärke E(kV/mm), der die Anhaftkraft F(N) maximiert, und der Bereich der Feldstärke E(kV/mm), der die tote Masse Q₀ minimiert, übereinstimmen.
Wenn die tote Masse Q₀ während einer Erfassung des zu messenden Gases, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, kleiner als die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ist, wird angenommen, dass die Entfernung zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 kurz ist. Alternativ hierzu wird angenommen, dass in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Sensorelement 1 und dem Abdeckungskörper 2 das zu messende Gas in einfacher Weise zu dem Erfassungselement 13 geleitet wird. In derartigen Beispielen kann eine Sammelleistungsfähigkeit durch die angelegte Spannung V_OUT die eingestellt wird, um kleiner als die untere angelegte Schwellenwertspannung V_LL oder höher als die obere angelegte Schwellenwertspannung V_HL zu sein, verringert werden. Die tote Masse Q₀ kann näher an die tote Masse Q_0REF für eine Kalibrierung gebracht werden.
Demgegenüber wird, wenn die tote Masse Q₀, während einer Erfassung des zu messendes Gases, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, größer als die tote Masse Q_REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF ist, angenommen, dass die Entfernung zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 lang ist. Alternativ hierzu wird angenommen, dass in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Sensorelement 1 und dem Abdeckungskörper 2 das zu messende Gas nicht in einfacher Weise zu dem Erfassungselement 13 geführt wird. In derartigen Beispielen kann eine Sammelleistungsfähigkeit maximiert werden, indem die angelegte Spannung V_OUT in dem Bereich der Bezugsspannung von der unteren angelegten Schwellenwertspannung V_LL zu der oberen angelegten Schwellenwertspannung V_HL gehalten wird. Es kann verhindert werden, dass die tote Masse Q₀ ein Wert wird, der weiter von der toten Masse Q_0REF für eine Kalibrierung abweicht.
Zu dieser Zeit kann das Ausmaß, um das die angelegte Spannung V_OUT vergrößert oder verkleinert wird, durch eine tatsächliche Messung in einer Abschlussprüfung des Partikelerfassungssensors 4 bestimmt werden. Die Ergebnisse können in dem Speicher als Korrekturinformation gespeichert werden und zu der Leistungseinheit 50 zurückgeführt bzw. rückgekoppelt werden. Wenn eine unbekannte Menge von Partikeln, die tatsächlich in einem zu messenden Gas beinhaltet ist, erfasst wird, kann die Korrekturinformation verwendet werden, um die angelegte Spannung V_OUT zu bestimmen.
Zusätzlich ist ebenso eine Konfiguration möglich, bei der die Ausgabespannung V_OUT durch einen variablen Widerstand VR und einen fixierten Widerstand R aufgeteilt wird und an die Verstärkerschaltung 40 angelegt wird. Die angelegte Spannung V_OUT kann durch den variablen Widerstand VR vergrößert und verkleinert werden, der auf der Grundlage der im Voraus gemessenen toten Masse Q₀ eingestellt wird.
Wirkungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung eines Vergleichsbeispiels 1, eines Vergleichsbeispiels 2 und eines Beispiels 1 unter Bezugnahme auf die 4A, 4B, 5A, 5B, 6A und 6B beschrieben. Als das Vergleichsbeispiel 1 ist ein herkömmlicher Partikelerfassungssensor verwendet worden, der in einem Zustand vervollständigt worden ist, bei dem die Richtung des Sensorelements und die Richtung der Löcher in dem Abdeckungskörper während des Herstellungsvorgangs abgestimmt worden sind. Als das Vergleichsbeispiel 2 ist ein herkömmlicher Partikelerfassungssensor verwendet worden, der durch ein Sensorelement und einen Abdeckungskörper vervollständigt worden ist, die während des Herstellungsvorgangs in zufällige Richtungen zusammengebaut worden sind, ohne auf die Richtung des Sensorelements und die Richtung der Löcher in dem Abdeckungskörper zu achten. Als das Beispiel 1 ist ein Partikelerfassungssensor verwendet worden, der ohne Rücksicht auf die Richtung des Sensorelements und der Löcher in dem Abdeckungskörper während des Herstellungsvorgangs vervollständigt worden ist.
4A zeigt die Änderungen in einer Sensorausgabe, wenn das zu messende Gas, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, unter Verwendung einer Vielzahl von Partikelerfassungssensoren gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 gemessen wird (fünf Pegel bzw. Stufen). 4B zeigt die Ergebnisse einer Messung der toten Masse Q₀, bis die jeweiligen Sensorausgaben der vorbestimmte Schwellenwert V_REF oder mehr werden.
Der Schwellenwert V_REF ist ein Wert, bei dem die Ausgabe durch das Erfassungselement 13 als eine Ausgabe erfasst werden kann, die stabil genug ist, um von Rauschen unterschieden zu werden. Der Schwellenwert V_REF wird in geeigneter Weise in Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Erfassungselements 13 eingestellt.
5A zeigt die Änderungen einer Sensorausgabe, wenn das zu messende Gas, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, unter Verwendung einer Vielzahl von Partikelerfassungssensoren des Vergleichsbeispiels 2 gemessen wird (fünf Pegel bzw. Stufen). 5B zeigt die Ergebnisse einer Messung der toten Masse Q₀, bis die jeweiligen Sensorausgaben der vorbestimmte Schwellenwert V_REF oder mehr werden.
6A zeigt die Änderungen einer Sensorausgabe, wenn eine Ausgabekorrektur durch das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, unter Verwendung einer Vielzahl von Partikelerfassungssensoren gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung (fünf Pegel bzw. Stufen). 6B zeigt die Ergebnisse einer Messung der toten Masse Q₀, bis die jeweiligen Sensorausgaben der vorbestimmte Schwellenwert V_REF oder mehr werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in 1A gezeigt ist, ist ein Beispiel einer Konfiguration beschrieben, in der die Erfassungselektroden 11 und 12 jeweils in einer Kammform geformt sind. Die Erfassungselektroden 11 und 12, die wechselweise unterschiedliche Polaritäten aufweisen, sind derart angeordnet, dass sie in einer abwechselnden Art und Weise mit einem konstanten Intervall ausgerichtet sind. Die Erfassungselektroden 11 und 12 erfassen einen Widerstandswert, der sich in Abhängigkeit der Menge von PM ändert, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt ist. In der vorliegenden Erfindung ist die Form der Erfassungselektroden 11 und 12 jedoch nicht auf die Kammform begrenzt. Zusätzlich müssen die Erfassungselektroden 11 und 12 lediglich eine elektrische Eigenschaft, die sich in Abhängigkeit der Menge von Partikeln ändert, die in dem Erfassungselement angesammelt ist, als die zu erfassende elektrische Eigenschaft erfassen. Zusätzlich zu einem Widerstandswert können eine Induktanz, eine Kapazität, eine Impedanz und dergleichen verwendet werden.
Beispielsweise ist eine Konfiguration möglich, bei der die Erfassungselektrode durch eine poröse Elektrode gebildet wird. Ein Widerstandswert, der sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln ändert, die auf der Oberfläche der porösen Elektrode angesammelt ist, kann erfasst werden. Zusätzlich ist ebenso eine Konfiguration möglich, bei der die Oberfläche der Erfassungselektrode durch eine dielektrische Schicht oder eine isolierende Schicht abgedeckt ist. Eine Kapazität, die sich Abhängigkeit von der Menge von Partikeln ändert, die auf der Oberfläche der Schicht angesammelt ist, kann erfasst werden.
Des Weiteren ist ebenso eine Konfiguration möglich, bei der das Sensorelement 1 einen Erwärmungsabschnitt umfasst, der ein Erwärmungselement aufweist, das Wärme erzeugt, indem es mit Energie versorgt wird. Der Erwärmungsabschnitt erwärmt und entfernt die Partikel, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt sind.
Wie es in 4B gezeigt ist, ist herausgefunden worden, dass in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 Variationen mit einem Variationskoeffizienten CV von 3,3% in der toten Masse Q_o aufgetreten sind.
In dem Vergleichsbeispiel 1 sind das Sensorelement 1 und der Abdeckungskörper 2 derart zusammengebaut, dass die Richtungen übereinstimmen, um die Wirkungen einer Positionsfehlausrichtung bzw. einer Positionsabweichung der Löcher in dem Abdeckungskörper 2 und dergleichen zu beseitigen. Folglich wird berücksichtigt, dass die Variation als ein Ergebnis von Differenzen, die in der Menge von Partikeln auftreten, die angesammelt wird, bis die Sensorausgabe ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr wird, hauptsächlich aufgrund von Variationen in der Entfernung zwischen Erfassungselektroden aufgetreten ist.
Wie es in 5B gezeigt ist, ist herausgefunden worden, dass in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 Variationen mit einem Variationskoeffizienten CV von 11,7% in der toten Masse Q₀ aufgetreten sind.
In dem Vergleichsbeispiel 2 ist ein Zusammenbau ohne Rücksicht auf die Richtungsabhängigkeit der Löcher in dem Abdeckungskörper ausgeführt worden. Folglich wird berücksichtigt, dass die Variation als ein Ergebnis von Differenzen, die in der Menge von Partikeln auftreten, die in den Abdeckungskörper geleitet wird, zusätzlich zu den Variationen in der Entfernung zwischen Erfassungselektroden aufgrund einer Positionsfehlausrichtung bzw. einer Positionsabweichung der Löcher in dem Abdeckungskörper aufgetreten ist.
Demgegenüber ist, wie es in 6B gezeigt ist, in dem Beispiel 1 ein Mittelwert μ im Vergleich zu dem des Vergleichsbeispiels 1 ein wenig höher. Eine Standardabweichung σ hat sich jedoch verkleinert. Der Variationskoeffizient CV hat deutlich auf 1,7% abgenommen. Folglich kann eine sehr zuverlässige Partikelerfassung unter Verwendung des Geräts zur Erfassung von Partikeln 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 7A und Fig. 7B)
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln 6A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7A und 7B beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung werden Konfigurationen, die die gleichen sind wie die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die gleichen Bezugszeichen verliehen. Eine Beschreibung hiervon wird weggelassen. Lediglich charakteristische Abschnitte werden beschrieben. Der Abdeckungskörper 2 und das Gehäuse 3 in den nachstehenden Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen sind nicht in bestimmter Weise begrenzt und weisen die gleiche Konfiguration wie die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Konfiguration beschrieben, in der die Erfassungselektroden 11 und 12 des Sensorselements 1 ebenso als Elektroden zum Sammeln dienen. Eine hohe Spannung wird zwischen die Erfassungselektroden 11 und 12 angelegt und die PM werden in dem Erfassungselement 13 gesammelt. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6A gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch, dass in einem Sensorelement 1A gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Paar von Elektroden zum Sammeln 15a und 15B separat von den Erfassungselektroden 11 und 12 bereitgestellt ist. Eine hohe Spannung wird von einer Felderzeugungsleistungseinheit 50 zwischen den Elektroden zum Sammeln 15a und 15b angelegt. Ein elektrisches Feld wird in einem Sammelraum 160 erzeugt, der zwischen den Elektroden zum Sammeln 15a und 15b bereitgestellt ist. Die PM werden in einem Erfassungselement 13a durch eine elektrostatische Anziehungskraft gesammelt.
In einer Art und Weise, die ähnlich zu der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, wird der Widerstandswert, der sich in Abhängigkeit von der Menge von PM ändert, die zwischen den Erfassungselektroden 11 und 12 angesammelt ist, als die elektrische Eigenschaft erfasst.
Die Elektroden zum Sammeln 15a und 15b sind einander gegenüberliegend derart angeordnet, dass sie das Erfassungselement 13a einpferchen. Beide Oberflächen der Elektroden zum Sammeln 15a und 15b werden durch das plattenförmige isolierende Substrat 10 oder ein isolierendes Substrat 100 eingepfercht. Die Elektroden zum Sammeln 15a und 15b sind voneinander isoliert. Die Elektrode zum Sammeln 15a ist aus einem Felderzeugungsabschnitt 150a und einem Leitungsabschnitt 151a aufgebaut. Die Elektrode zum Sammeln 15b ist aus einem Felderzeugungsabschnitt 150b und einem Leitungsabschnitt 151b aufgebaut. Die Elektroden zum Sammeln 15a und 15b sind mit der Felderzeugungsleistungseinheit 50a verbunden.
Zusätzlich unterscheidet sich das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass eine Sammelraumbildungsschicht 16, die aus einem isolierenden Substrat aufgebaut ist, derart ausgebildet ist, dass sie das Erfassungselement 13 abdeckt. Ein Abschnitt des Erfassungselements 13 ist zu dem Sammelraum 160 freigelegt, der auf beiden Seitenoberflächen offen ist.
Des Weiteren ist ein Erwärmungsabschnitt 14 bereitgestellt, der Wärme erzeugt, indem er mit Energie versorgt wird. Der Erwärmungsabschnitt 14 erwärmt und entfernt die PM, die in dem Erfassungselement 13 angesammelt sind.
Der Erwärmungsabschnitt 14 ist aus einem Erwärmungselement 140 und Leitungsabschnitten 141 und 142 aufgebaut. Das Erwärmungselement 14 ist durch das isolierende Substrat 10 und das isolierende Substrat 100 eingepfercht. Der Erwärmungsabschnitt 14 ist derart bereitgestellt, dass er auf das Erfassungselement 13 geschichtet ist. Der Erwärmungsabschnitt 14 ist mit einer Erwärmungselementenergieversorgungssteuerungsvorrichtung 53 verbunden.
In einer Art und Weise, die ähnlich zu dem isolierenden Substrat 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, ist das isolierende Substrat 100 aus einem bekannten keramischen isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, aufgebaut.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vergleicht in einer ähnlichen Weise zu dem ersten Ausführungsbeispiel die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 ebenso die tote Masse Q₀ mit der toten Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF. Die tote Masse Q₀ ist die, bei der der Messwiderstand RSEN, der durch die Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 150 erfasst wird, wobei das zu messende Gas für eine Kalibrierung verwendet wird, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, ein vorbestimmter Schwellenwert oder größer wird. Die tote Masse Q_0REF wird durch die externe Korrektureinrichtung 7 in Bezug auf das zu messende Gas für eine Kalibrierung erfasst. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 vergrößert und verkleinert dann die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit 50a angelegt wird, so dass die tote Masse Q₀ und die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF übereinstimmen. Als Ergebnis können Wirkungen erreicht werden, die ähnlich zu denen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind.
Zusätzlich sind gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Erfassungselektroden 11 und 12 separat von den Elektroden zum Sammeln 15a und 15b bereitgestellt. Die angelegte Spannung zur Erfassung des Widerstandswerts und die angelegte Spannung zum Sammeln der PM werden unabhängig eingestellt. Als Ergebnis wird eine Erfassungsgenauigkeit weiter verbessert.
Außerdem wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu den Wirkungen, die ähnlich zu denen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, die PM in den Sammelraum 160 durch die Anziehungskraft gezogen, die durch das elektrische Feld erzeugt wird, das zwischen den Elektroden zum Sammeln 15a und 15b erzeugt wird. Der Sammelraum 160 ist zu beiden Seitenoberflächenrichtungen bei der Spitzenendseite des Sensorelements 1a offen. Folglich können die Wirkungen von Differenzen in einer Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Gases in dem Abdeckungskörper 2 aufgrund von Variationen in einer Zusammenbaurichtung des Abdeckungskörpers 1 verringert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 8 bis Fig. 11)
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 8, 9, 10 und 11 beschrieben. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich darin, dass die Menge von PM, die in dem Erfassungselement angesammelt wird, unter Verwendung einer Kapazität C gemessen wird. Spezifisch sind Erfassungselektroden 11b und 12b durch das isolierende Substrat 100 abgedeckt. Die Erfassungselektroden 11b und 12b erfassen eine Kapazität C, die sich in Abhängigkeit von der Menge von PM ändert, die in dem Sammelraum 160 angesammelt ist.
Auch wenn die Kapazität C in dem Erfassungselement 13 als die elektrische Eigenschaft gemessen wird, kann in einer Art und Weise, die ähnlich zu der gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist, die angelegte Spannung von der Felderzeugungsleistungseinheit, die auf der Grundlage eines Vergleichs von individuellen Differenzen mit dem Sensor für eine Kalibrierung 4_REF bestimmt wird, vergrößert und verkleinert werden. Als Ergebnis können Wirkungen erreicht werden, die ähnlich zu denen gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind.
Zusätzlich ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, bei dem der Erwärmungsabschnitt 14 auf eine Seite des Erfassungselements 13a geschichtet ist. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind Erwärmungsabschnitte 14a und 14b weiter außerhalb der Elektroden zum Sammeln 15a und 15b geschichtet. Das Erfassungselement 13b wird von beiden zugehörigen Oberflächen erwärmt.
Als Ergebnis dieser Konfiguration können die PM, die auf den Innenumfangsoberflächen der isolierenden Substrate 10, 161, 162 und 100 angesammelt sind, die den Sammelraum 160 aufteilen, mit Sicherheit entfernt werden.
Wie es in 9 gezeigt ist, kann ein Sensorelement 1b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel durch eine Ersatzschaltung ausgedrückt werden, in der eine Kapazität C_PM und ein Widerstandswert R_PM, die sich in Abhängigkeit von der Menge von PM ändern, die zwischen den Erfassungselektroden 11b und 12b angesammelt ist, parasitäre Kapazitäten C₁ und C₂, die auf den Leitungsabschnitten 111b und 121b parasitär sind, und interne Widerstände R₁ und R₂ verbunden sind. Eine Impedanz Zx zwischen Eingangsanschlüssen eines Elektrische-Eigenschaft-Messabschnitts 510b kann durch ein bekanntes Impedanzmessverfahren, wie beispielsweise das sogenannte I-V-Verfahren, erfasst werden.
Spezifisch wird unter Verwendung einer Spannung V₁, die von einem Oszillator RF angelegt wird, der vorbestimmte Frequenzeigenschaften aufweist, und einer Potentialdifferenz V₂, die zwischen beiden Enden eines bekannten Widerstandswerts R_S erfasst wird, die Impedanz Z_X durch Z_x = V₁/I = (V₁/V₂) × R_S berechnet.
Des Weiteren werden gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine erfasste Impedanz Z_XREF und eine erfasste Impedanz Z_X unter Verwendung eines Sensors für eine Kalibrierung 4b_REF verglichen, der eine Konfiguration aufweist, die ähnlich zu dem Partikelerfassungssensor 4b in 8 ist. Die erfasste Impedanz C_XREF ist auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung bezogen, das die bekannte Menge von PM beinhaltet. Als Ergebnis wird der Widerstandswert des variablen Widerstands R₁ eingestellt, um die angelegte Spannung V_OUT der Felderzeugungsleistungseinheit 50b zu vergrößern und zu verkleinern. Ein Verstärkungsverhältnis eines Verstärkers OP wird auf der Grundlage eines Verhältnisses des Widerstandswerts des variablen Widerstands R₁ zu einem Widerstandsteilerwert R₂ vergrößert und verkleinert.
Als Ergebnis dieser Konfiguration kann die angelegte Spannung V_OUT der Felderzeugungsleistungseinheit 50b beliebig korrigiert werden, um die Ausgabe in Bezug auf das zu messende Gas für eine Kalibrierung mehr an die Ausgabe des Sensors für eine Kalibrierung 4b_REF zu bringen.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Testen, das ähnlich zu dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, unter Verwendung des Geräts zur Erfassung von Partikeln 6b ausgeführt worden, das in 8 gezeigt ist. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b, für das das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet worden ist, ist ein Vergleichsbeispiel 3. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b, bei dem das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet worden ist, ist ein Beispiel 2.
Wie es in 10B gezeigt ist, werden, auch wenn die Menge von PM unter Verwendung der Kapazität (Impedanz Z) erfasst wird, signifikante Variationen (ein Variationskoeffizient CV von 19,5%) deutlich in der toten Masse Q₀ erkannt, wenn das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird.
Demgegenüber werden, wie es in 11B gezeigt ist, die Variationen in der toten Masse Q₀ in dem Beispiel 2 deutlich verringert (ein Variationskoeffizient CV von 1,4%).
Folglich kann eine sehr zuverlässige Partikelerfassung unter Verwendung des Geräts zur Erfassung von Partikeln gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, das konfiguriert ist, die Menge von PM, die in dem Erfassungselement angesammelt ist, unter Verwendung einer Kapazität zu messen.
Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 12)
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
In dem Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b, das in 8 gezeigt ist, sind die Erfassungselektroden 11b und 12b separat von den Elektroden zum Sammeln 15a und 15b bereitgestellt. In einem Gerät zur Erfassung von Partikeln 6c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel werden jedoch die Erfassungselektroden 11c und 12c als die Elektroden zum Sammeln verwendet.
Wie es in 12 gezeigt ist, ist die Erfassungselektrode 11b aus einer Erfassungselektrodenplatteneinheit 110c und einem Leitungsabschnitt 111c aufgebaut. Die Erfassungselektrode 12b ist aus einer Erfassungselektrodenplatteneinheit 120c und einem Leitungsabschnitt 121c aufgebaut. Die Erfassungselektrodenplatteneinheiten 110c und 120c breiten sich in einer Plattenform aus. Die Oberflächen der Erfassungselektroden 11c und 12c sind jeweils durch plattenförmige isolierende Substrate 101c und 100c abgedeckt.
Als ein Ergebnis dieser Konfiguration ist eine parallele Platte für die Kapazität C konfiguriert, die proportional zu der Fläche der Erfassungselektrodenplatteneinheiten 110c und 120c ist und umgekehrt proportional zu der Entfernung zwischen den wechselweise gegenüberliegenden Erfassungselektrodenplatteneinheiten 110c und 120c ist. Als Begleiterscheinung der Änderung der Menge von gesammelten PM ändert sich die Dielektrizitätskonstante zwischen den Erfassungselektrodenplatteneinheiten 110c und 120c. Die Kapazität C zwischen den Erfassungselektroden 11c und 12c ändert sich ebenso zwangsläufig. Als ein Ergebnis der Kapazität, die erfasst wird, kann die Menge von PM, die in dem Sammelraum 160 gesammelt ist, berechnet werden.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel vergleicht die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 die tote Masse Q₀ mit der toten Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF in einer Weise, die ähnlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist. Die tote Masse Q₀ ist die, bei der der Messwiderstand R_SEN, der durch die Einrichtung zum Messen eines Messwiderstands 510 unter Verwendung des zu messenden Gases für eine Kalibrierung, das die bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, erfasst wird, ein vorbestimmter Schwellenwert oder größer ist. Die tote Masse Q_0REF wird durch die externe Korrektureinrichtung 7 in Bezug auf das zu messende Gas für eine Kalibrierung erfasst. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung 511 vergrößert und verkleinert dann die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit 50a angelegt wird, so dass die tote Masse Q₀ und die tote Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4_REF übereinstimmen. Folglich kann eine sehr zuverlässige Partikelerfassung unter Verwendung des Geräts zur Erfassung von Partikeln gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden, auch wenn beispielsweise die Flächen der Erfassungselektrodenplatteneinheiten 110c und 120c und die Zwischenelektrodenentfernung variieren.
Fünftes Ausführungsbeispiel (Fig. 13–Fig. 14)
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 13 und die 14 beschrieben.
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln 6d gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist derart konfiguriert, dass PM, die in dem Erfassungselement 13d angesammelt sind, durch Oxidation unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion entfernt werden, wobei dann ein Strom, der zu dieser Zeit fließt, in dem Erfassungselement 13d erfasst wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Erfassungselektroden 11d und 12d durch poröse Elektroden gebildet. Die Erfassungselektrode 11d ist aus einem plattenförmigen Erfassungselektrodenplattenteil 110d und einem Leitungsteil 111d aufgebaut. Die Erfassungselektrode 12d ist aus einem plattenförmigen Erfassungselektrodenplattenteil 120d und einem Leitungsteil 121d aufgebaut. Die Erfassungselektroden 11d und 12d sind auf einer Oberfläche einer plattenförmigen soliden Elektrisches-Feld-Schicht 10d derart angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen. Der Erfassungselektrodenplattenteil 110d ist angeordnet, um dem Sammelraum 160 gegenüberzuliegen. Der Erfassungselektrodenplattenteil 12d ist angeordnet, um einem Ausstoßraum 170 einer Ausstoßschicht 17 gegenüberzuliegen.
Die Erfassungselektroden 11d, 12d sind aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt, das eine Leitfähigkeit aufweist, die durch ein spezifisches Ion, wie beispielsweise ein Sauerstoffion, ein Proton und dergleichen verursacht wird.
Als das spezifische Festelektrolytmaterial werden bekannte Festelektrolytmaterialien verwendet. Die bekannten Festelektrolytmaterialien umfassen Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, und ein MP₂O₇-Typ-Pyrophosphat, das eine Protonenleitfähigkeit aufweist, und dessen Anteil durch ein Übergangsmetall und dergleichen ersetzt wird.
Der Ausstoßraum 170 ist aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid und dergleichen, aufgebaut. Der Ausstoßraum 170 ist in eine im Wesentlichen U-förmige Ausstoßraumbildungsschicht 171 und den plattenförmigen Isolator 100 aufgeteilt.
Der Erwärmungsabschnitt 14d ist derart bereitgestellt, dass er auf die Ausstoßschicht 170 geschichtet ist. Der Erwärmungsabschnitt 14d wird mit dem Isolator 100 abgedeckt und ist aus einem Erwärmungselement 140d und Leitungsabschnitten 141d und 142d aufgebaut.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist der Erwärmungsabschnitt 14d bereitgestellt, um die in dem Erfassungselement 13 angesammelten PM zu verbrennen und zu entfernen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die PM durch Oxidation unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion bei einer Erfassung einer Menge von PM entfernt. Der Erwärmungsabschnitt 14d wird verwendet, um die solide Elektrisches-Feld-Schicht 10d zu erwärmen und zu aktivieren.
Wie es in 14 gezeigt ist, wird eine hohe Spannung zwischen den Erfassungselektroden 11d, die auf einer Oberfläche der soliden Elektrisches-Feld-Schicht 10d ausgebildet sind, und der Elektrode zum Sammeln 15d von einer Felderzeugungsleistungseinheit 50d angelegt, wobei dann ein elektrisches Feld erzeugt wird. Die PM werden auf einer Oberfläche der Erfassungselektrode 11d durch eine Anziehungskraft des elektrischen Feldes gesammelt.
Des Weiteren wird eine Spannung zwischen den Erfassungselektroden 11d, 12d von einer Leistungseinheit für die elektrochemische Reaktion 513d angelegt, wobei die PM, die auf einer Oberfläche der Erfassungselektrode 11d angesammelt sind, durch eine Oxidation unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion entfernt werden. Protonen H+, die durch elektrochemische Reaktion erzeugt werden, oder eine Potenzialdifferenz, die an beiden Enden des Messwiderstands Rs erzeugt wird, wenn ein Elektron sich durch die solide Elektrisches-Feld-Schicht 10d bewegt, wird durch den Elektrische-Eigenschaften-Messabschnitt 510d gemessen, wobei eine Menge von PM berechnet werden kann.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist ein Test ähnlich zu den gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel unter Verwendung des Geräts zur Erfassung von Partikeln 6b, das in 12 gezeigt ist, ausgeführt worden. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b, für das das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet worden ist, ist ein Vergleichsbeispiel 4. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln 6b, bei dem das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet worden ist, ist ein Beispiel 3.
Wie es in 15 gezeigt ist, werden, auch wenn eine Menge von PM durch den elektrischen Strom, der bei einer Entfernung der PM durch Oxidation unter Verwendung der elektrochemischen Reaktion fließt, erfasst wird, signifikante Variationen (ein Variationskoeffizient CV von 9,3%) in der toten Masse Q₀ deutlich erkannt, wenn das Korrekturverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird.
Demgegenüber werden, wie es in 16 als ein Beispiel 3 gezeigt ist, wenn die Korrektur der Feldstärke unter Verwendung der Ergebnisse ausgeführt wird, die mit der toten Masse Q_0REF des Sensors für eine Kalibrierung 4d_REF im Voraus verglichen werden, geringe Variationen (ein Variationskoeffizient CV = 1,3%) in der toten Masse Q₀ deutlich erkannt.
Außerdem werden in den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 und den Beispielen 1 bis 3 der Mittelwert μ und die Standardabweichung σ um die tote Masse Q₀ mehrerer Sensoren zur Erfassung von Partikeln aufgelöst, und der Variationskoeffizient CV wird als ein Indikator individueller Differenzen berechnet. Der Variationskoeffizient CV ist ein Wert, bei dem die Standardabweichung σ durch den Mittelwert μ geteilt wird.
17 ist ein Diagramm, das den berechneten Variationskoeffizienten in den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 aufzeichnet. Wie es in 17 gezeigt ist, werden in der toten Masse in den Beispielen 1 bis 3 deutlich geringe Variationen im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 gesehen.
Wie es vorstehend beschrieben ist, nehmen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die individuellen Differenzen in einer Sensorausgabe in einer überlagerten Art und Weise als Ergebnis von Variationen in einer Zwischenelektrodenentfernung, die zwangsläufig während des Herstellungsvorgangs des Partikelerfassungssensors auftreten, einer Fehlausrichtung der Richtungsabhängigkeit der Sensorelemente 1 und 1a bis 1d sowie der Richtungsabhängigkeit der Löcher, die in dem Abdeckungskörper 2 bereitgestellt sind, zu. Es ist herausgefunden worden, dass als ein Ergebnis, dass die Spannung, die an die Erfassungselemente der Sensorelemente 1 und 1a bis 1d von den Felderzeugungsleistungseinheiten 50 und 50a angelegt wird, in Abhängigkeit von individuellen Differenzen in einer Sensorausgabe korrigiert wird, die Menge von gesammelten Partikeln vergrößert und verkleinert werden kann. Als Ergebnis können die Variationen in Ausgabeergebnissen verringert werden.
Ein Gerät zur Erfassung von Partikeln und ein Korrekturverfahren des Geräts zur Erfassung von Partikeln, das Partikel in einem zu messenden Gas erfasst, sind bereitgestellt. Das Korrekturverfahren korrigiert die individuellen Differenzen, die zwangsläufig aufgrund des Herstellungsvorgangs von Partikelerfassungssensoren auftreten. Das Gerät zur Erfassung von Partikeln umfasst eine Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung. Die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung wendet Korrekturinformationen, die durch das Korrekturverfahren erfasst werden, bei einer Erfassungssteuerung an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-94654 [0001]
JP 2012-1803 [0001]
JP 59-197847 A [0007, 0009]
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JP 2009-97868 A [0015]

Claims

Gerät zur Erfassung von Partikeln, das Partikel in einem zu messenden Gas erfasst, wobei das Gerät einen Partikelerfassungssensor, eine Felderzeugungsleistungseinheit und einen Messabschnitt umfasst, der Partikelerfassungssensor zumindest umfasst: ein Sensorelement, das ein Erfassungselement aufweist, in dem eine Elektrode zum Sammeln oder eine Elektrode, die separat von der Elektrode zum Sammeln bereitgestellt ist, als eine Erfassungselektrode verwendet wird, die eine elektrische Eigenschaft erfasst, die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt wird, wobei die Elektrode zum Sammeln dazu dient, die Partikel in dem zu messenden Gas in einem Erfassungselement unter Verwendung einer Anziehungskraft zu sammeln, die durch ein elektrisches Feld erzeugt wird, das durch die Felderzeugungsleistungseinheit erzeugt wird, einen Abdeckungskörper, der das Sensorelement schützt, und ein Gehäuse, das das Erfassungselement in dem zu messenden Gas platziert, der Messabschnitt die elektrische Eigenschaft misst, die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln in dem zu messenden Gas ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt ist, wobei das Gerät zur Erfassung von Partikeln eine Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung umfasst, eine tote Masse ein Wert ist, bis eine Ausgabe, die in Bezug auf ein zu messendes Gas für eine Kalibrierung, das eine bekannte Menge von Partikeln beinhaltet, erzeugt wird, ein vorbestimmter Schwellenwert oder mehr wird, wenn die tote Masse größer als eine tote Masse eines Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung ist, der als Bezug dient, die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, bei einem vorbestimmten angelegten Spannungswert hält und die Feldstärke beibehält, um die tote Masse zu verringern, und, wenn die tote Masse kleiner als die tote Masse des Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung ist, der als Bezug dient, die Angelegte-Spannung-Korrektureinrichtung die Spannung, die durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, einstellt, um niedriger als eine vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung oder höher als eine vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung zu sein, und die Feldstärke korrigiert, um die tote Masse zu vergrößern.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung eine Spannung ist, bei der die Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden erzeugt wird, 1,0 kV/mm wird, und die vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung eine Spannung ist, bei der die Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden erzeugt wird, 1,4 kV/mm wird.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei die tote Masse des Sensors für eine Kalibrierung ein Wert ist, der bei einer angelegten Spannung gemessen wird, bei der die Feldstärke 1,0 kV/mm wird, und eine Korrektur unter Verwendung des Messwertes ausgeführt wird.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei der Partikelerfassungssensor mit der größten toten Masse unter Probestücken, die aus einem Herstellungslos entnommen werden, als der Sensor für eine Kalibrierung verwendet wird.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei die elektrische Eigenschaft ein Widerstandswert oder eine Kapazität ist, der/die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln in dem zu messenden Gas ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt ist.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei die elektrische Eigenschaft ein elektrischer Strom ist, der während eines Entfernens der PM durch Oxidation unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion fließt.
Gerät zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement einen Erwärmungsabschnitt umfasst, der ein Erwärmungselement aufweist, das Wärme erzeugt, indem es mit Energie versorgt wird.
Korrekturverfahren des Geräts zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, wobei das Korrekturverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass, wenn die tote Masse größer als eine tote Masse eines Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung ist, der als Bezug dient, die Spannung, die an das Erfassungselement angelegt wird, in einem Bereich von einer vorbestimmten unteren angelegten Schwellenwertspannung zu einer vorbestimmten oberen angelegten Schwellenwertspannung gehalten wird, bei dem eine Feldstärke derart ist, dass die tote Masse minimiert wird, wenn die tote Masse kleiner als die tote Masse des Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung ist, der als Bezug dient, die Spannung, die zwischen Erfassungselektroden durch die Felderzeugungsleistungseinheit angelegt wird, eingestellt wird, um kleiner als die vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung oder höher als die vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung zu sein, wobei die tote Masse näher an die tote Masse des Partikelerfassungssensors für eine Kalibrierung gebracht wird.
Korrekturverfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte untere angelegte Schwellenwertspannung eine Spannung ist, bei der die Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden erzeugt wird, 1,0 kV/mm wird, und die vorbestimmte obere angelegte Schwellenwertspannung eine Spannung ist, bei der die Feldstärke, die zwischen den Erfassungselektroden erzeugt wird, 1,4 kV/mm wird.
Korrekturverfahren nach Anspruch 8, wobei die tote Masse des Sensors für eine Kalibrierung ein Wert ist, der bei einer angelegten Spannung gemessen wird, bei der die Feldstärke 1,0 kV/mm wird, wobei die Korrektur unter Verwendung des Messwertes ausgeführt wird.
Korrekturverfahren nach Anspruch 8, wobei der Partikelerfassungssensor mit der größten toten Masse unter Probestücken, die aus einem Herstellungslos entnommen werden, als der Sensor für eine Kalibrierung verwendet wird.
Korrekturverfahren nach Anspruch 8, wobei ein Widerstandswert oder eine Kapazität als die elektrische Eigenschaft verwendet wird, der/die sich in Abhängigkeit von der Menge von Partikeln in dem zu messenden Gas ändert, die in dem Erfassungselement gesammelt ist.
Korrekturverfahren nach Anspruch 8, wobei ein elektrischer Strom, der während eines Entfernens der PM durch Oxidation unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion fließt, als die elektrische Eigenschaft verwendet wird.