[发明专利]用于测量颗粒物的集聚和电荷损失传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请请求于2011年5月26日提交的美国临时申请号61/490,528的权益，其全部内容通过援引纳入于此。本申请还请求于2011年12月8日提交的美国申请号13/315,146的权益，其全部内容通过援引纳入于此。

背景

内燃发动机(例如，柴油发动机)通常生成包含变化量的颗粒物(PM)的排气流。一般而言，颗粒物是悬在排气中的小的固体物颗粒(即，烟灰)。排气流中的颗粒物的量和大小趋于随发动机工作条件而变，诸如燃料注入时机、注入体积、注入压力、或者发动机速度关于负载的关系。对这些条件的调节在减小颗粒物排放和来自发动机的颗粒物中的平均颗粒大小方面可以是有用的。减小来自内燃发动机的颗粒物排放是对环境有利的。此外，对柴油排气的颗粒物测量对于PM过滤器板载(例如，安装在车辆上的)诊断和通过内燃控制减小排放是有用的。

用于颗粒物的板载(原位)传感器通常落入两个类别中：

1.累积传感器

2.实时传感器

累积传感器利用排气颗粒、尤其是烟灰(soot)颗粒趋于粘到暴露于排气体的表面的效应。在累积传感器中，允许烟灰累积在所暴露表面(如一个层)上。抑或通过以主体(该表面是该主体的一部分)的谐振频率振动该主体且随后测量由烟灰累积导致的谐振频率改变，抑或通过测量所累积烟灰的电阻或其或其电容，来测量该烟灰层的特性。当达到所测得量的某个阈值时，该累积表面被加热到一较高温度以烧掉所累积的烟灰并且累积过程重新开始。该过程的重复频率随后用作对排气体的平均颗粒(或烟灰)内容的测量。累积传感器的构造简单，小到足以像其他排气传感器一样地安装且相对便宜。然而，由于其工作原理，它们在累积了不能轻易地烧掉的颗粒时具有相对慢的响应速度(非实时)且遭遇可靠性问题。

实时传感器具有毫秒范围内的响应速度并且通常利用对颗粒的静电效应，或者使用光学效应。

这些传感器落入四个类别中：

a.自然电荷检测器

b.电离感应电荷传感器

c.接触电荷传感器

d.光学传感器

自然电荷检测器尝试检测在生产过程中产生的颗粒的自然电荷。这些传感器需要对电子电荷非常敏感，并遭受这样的事实：自然电荷的颗粒和/或它们的极性可在通过排气系统时改变。

电离感应电荷传感器在排气路径中通过该传感器在像薄的金属丝或针尖端的高表面曲率的电极上使用非常高的电压产生离子。电压一般在2-15千伏范围内。此电压会使载气中的颗粒进行电晕放电。烟灰尘颗粒流经电晕放电场获得充电。此后这些带电粒子通过收集电极被收集并且该收集电极的电荷转移率被测量。该收集电极和防止电荷的气体离子并将电荷转移到收集电极的必要性，需要相当大和复杂的装置并不能被容易地降低到典型的排气传感器的大小。

接触电荷传感器通常使用比电离感应电荷传感器低得多的电压。在接触电荷传感器中烟灰颗粒与高压电极接触而获得的表面电荷取决于高压电极的表面电荷密度。高压电极的典型电压在500伏至3千伏的范围内。这些带电颗粒此后将所带电荷释放在排气系统的接地部件或辅助检测电极。高电压电极的电荷损失通常与在排气气体中的颗粒物浓度成比例并可被测量。然而，由于所产生的电流(每秒的电荷转移)是非常小的，因此充分隔离高电压电极以防止漏电流是非常困难的。任何电流通过不完善的隔离流向接地还会产生高压电极上的电荷损失，并因此引起错误的传感器信号。作为解决这样问题的方法，基本为接地电压电平的辅助收集电极，被放置在靠近高电压电极的位置并对该电极的电荷累积进行测量。然而这需要额外的电连接并与高压电压电源的电极完好地绝缘。对于典型的内燃机的排气系统中所遇到的温度，很难找到能够承受这样的温度并仍保持高的电绝缘性能的绝缘材料。

由接触电荷传感器检测到的电流与排出气体的颗粒含量成比例，但也与电极的区域成比例。对于典型尺寸的排气传感器的可能区域，在通常遇到的烟灰水平下能侦测到的电流在低微微安培范围内，这是在内燃机工作的电气噪声的环境中很难被检测到。此外，低电流需要使用静电级放大器来检测和放大传感器信号。由于目前的半导体技术的限制，这些放大器通常只可以在狭窄的温度范围内保持它们的规格特性，这是远小于典型车辆应用所需的温度范围(通常在-40摄氏度到+125摄氏度)。

光学传感器包括光源和光检测器。它们测量含有颗粒物的气流的透明度或测量在该光源的光路中的被颗粒物散射的光。