JP2014515488A - 粒子状物質測定用凝集及び電荷損失型センサ - Google Patents

Abstract

粒子状物質を測定するセンサアセンブリを開示する。本センサアセンブリは、電圧源、センサ電極、接地アセンブリ、積分キャパシタ及び電流計を含む。センサ電極は電圧を受け取るために電圧源に結合される。センサ電極は、センサ電極の表面における粒子状物質構造物への粒子凝集を促進するためにセンサアセンブリ内の制御された定方向の排気流内に配置される。接地アセンブリは接地基準に結合され、センサ電極から離して配置される。積分キャパシタは電圧源の負側に結合され、積分キャパシタはセンサ電極から粒子状物質構造物への電荷移動による電流パルスを時間的に積分するように構成される。
【選択図】図３

Description

本願は、２０１１年５月２６日に出願された米国仮出願第６１／４９０，５２８号の利益を主張するものであり、この仮出願は参照することにより本明細書に組み込まれる。本願は２０１１年１２月８日に出願された米国出願第１３／３１５，１４６号の利益を主張するものであり、この出願は参照することにより本明細書に組み込まれる。

内燃エンジン（例えばディーゼルエンジン）は一般に可変量の粒子状物質（ＰＭ）を含有する排気ガス流を生じる。一般に、粒子状物質は排気ガス中に浮遊する固体物質の微小粒子（即ち煤）である。排気ガス流中の粒子状物質の量及びサイズ分布は、燃料噴射タイミング、噴射量、噴射圧力又はエンジン速度対負荷関係などのエンジンの動作状態とともに変化する傾向がある。これらの状態の調整はエンジンからの粒子状物質の放出及び粒子状物質の平均粒子サイズを減少させるのに有益である。さらに、ディーゼル排気に対する粒子状物質の測定はＰＭフィルタのオンボード（例えば車両搭載）診断及び燃焼制御による粒子状物質の低減に有益である。

粒子状物質用オンボード（現場）センサは概して２つのカテゴリに分かれる。
１．堆積センサ
２．リアルタイムセンサ

堆積センサは、排気粒子、特に煤粒子は排気ガスに暴露された表面に付着し易い効果を利用する。堆積センサにおいて、煤は露出表面上に層として堆積し得る。この煤層の特性は、その本体（表面はその一部分である）をその共振周波数で振動させ、煤の堆積に起因する共振周波数の変化を測定することによって、又は堆積した煤の抵抗値又はその容量値を測定することによって測定される。測定された量が所定の閾値に達したとき、堆積表面を高温度に加熱して堆積した煤を焼き払い、堆積プロセスを新たに開始する。その後このプロセスの繰り返し反復周波数は排気ガスの平均粒子（又は煤）含有量の測定値として使用される。堆積センサは構造が簡単で、他の排気センサと同様に十分小さく組み込み可能であるとともに、比較的安価である。しかしながら、これらのセンサは、それらの動作原理のために、応答速度が比較的遅く（リアルタイムでない）、粒子が容易に焼き払うことができないほど堆積されると信頼性の問題を生じることになる。

リアルタイムセンサはミリ秒範囲内の応答時間を有し、概して粒子への静電効果又は光学効果を利用する。

これらのセンサは４つのカテゴリに分かれる。
ａ．自然電荷検出器
ｂ．イオン化誘導電荷センサ
ｃ．接触電荷センサ
ｄ．光学センサ

自然電荷センサは生成プロセス中に生成された粒子の自然電荷を検出する。これらのセンサは極めて敏感な電荷電子回路を必要とするとともに、粒子が排気システムを通過する途中で粒子の自然電荷及び／又はそれらの極性が変化し得るという事実に悩まされる。

イオン化誘導電荷センサは、細いワイヤや針先端のような高い表面曲率半径の電極で極めて高い電圧を使用することによってセンサを通る排気ガス通路内でイオンを生成する。電圧は典型的には２−１５ｋＶである。この電圧によって粒子搬送ガス中にコロナ放電を生じる。コロナ放電領域中を流れる煤粒子は電荷を獲得する。これらの荷電粒子は次に収集電極により収集され、収集電極の電荷移動速度が測定される。収集電極に加えて、荷電ガスイオンが電荷を収集電極へ移送するのを阻止する必要性もあるため、かなり大きく複雑な装置が必要になり、一般的な排気センサのサイズに容易に縮小できない。

接触電荷センサは概してイオン化誘導電荷センサよりずっと低い電圧を使用する。接触電荷センサでは、高電圧電極と接触する煤粒子は高電圧電極の表面電荷密度により決まる表面電荷を獲得する。高電圧電極用の典型的な電圧は５００Ｖ〜３ｋＶの範囲内である。これらの荷電粒子はそれらの獲得電荷を排気システムの接地部分又は第２の検出電極に供給する。高電圧電極からの電荷損失は概して排気ガス中の粒子濃度に比例し、測定される。しかしながら、得られる電流（１秒当たりの電荷移動量）は極めて小さいため、電流漏洩を十分に阻止するように高電圧電極を絶縁することが極めて難しい。不完全な絶縁により接地へ流れる如何なる電流も高電圧電極の電荷損失を生じるため、誤った検出信号を生じる。この問題を回避する方法として、本質的には接地電圧レベルの第２の捕集電極を電圧電極に近接して配置し、この電極上の堆積電荷を測定する方法がある。しかながら、これは追加の電気接続を必要とし、この電気接続は高電圧源から電極まで十分に絶縁しなければならない。内燃エンジンの排気システムにおいて遭遇する通常の温度に関して、これらの温度に耐えて所要の電気絶縁特性を維持することができる絶縁材料を見つけることは極めて難しい。

接触電荷センサにより検出される電流は排気ガスの粒子含有量に比例するが、電極の面積にも比例する。通常のサイズの排気センサの可能な面積に関して、電流は通常の煤レベルに対して低ピコアンペア範囲内であり、電気的に雑音が多い内燃エンジンの動作環境では検出が極めて難しい。さらに、低電流は、センサシステムを検出し増幅するために電位計級の増幅器を必要とする。現在の半導体技術的限界のために、これらの増幅器は概して車両用に要求される通常の温度範囲（概して−４０〜＋１２５℃）よりずっと狭い温度範囲内でそれらの仕様を維持することができるのみである。

光学センサは光源と光検出器とからなる。これらのセンサは粒子を含有するガス流の不透明度を測定するか、又は光源の光路内で粒子により散乱された光を測定する。

上述したすべてのリアルタイムセンサ方法は、センサ部分上の煤堆積がセンサ性能に悪影響を与え、それを実施の形態に依存して様々な方法で改善しようとしている点で共通している。それらの方法は、排気ガスを清浄空気で希釈し、圧縮濾過空気を電極（光センサの場合には光学部分）に周期的に流すことによって堆積粒子を吹き飛ばすか、或いは堆積煤粒子を焼き払うが煤粒子が直接焼き付くほど十分に高くない温度まで電極（又は光学センサの場合にはレンズ）を加熱するかのいずれかである。

上述のリアルタイムセンサは、反応時間が低いミリ秒範囲内であるため、例えば内燃エンジンに対してシリンダ毎に排気ガス中の煤濃度の変化を検出することができる点で共通している。

従来の現場用粒子センサの上述した制限のために、これらの制限のうちの幾つかを克服したセンサが必要とされている。

本発明で記載するセンサは、測定電流が接触電荷センサに比較して数桁増加するように堆積センサと接触電荷センサの幾つかの特徴を組み合わせ、動作のために電極上に煤蓄積を必要とするものである。

これにより、このセンサは通常の排気センサのサイズにすることができるとともに、電極に対して一般的な絶縁体を使用することができる。加えて、本発明に記載するセンサは検出電極上への煤堆積を阻止する特別の手段を必要としない。他のリアルタイムセンサに比較して、本発明に記載するセンサは応答時間が遅く、概して１００ミリ秒より遅いが、５秒より速く、この応答時間は殆どの用途に対して十分である。

本発明の実施形態は粒子状物質を測定するセンサアセンブリに関する。本センサアセンブリは、電圧源、センサ電極、接地アセンブリ、積分キャパシタ及び電流計を含む。センサ電極は電圧を受け取るために電圧源に結合され、センサ電極はセンサ電極の表面における粒子状物質構造部への粒子凝集を促進するためにセンサアセンブリ内の制御された定方向の排気流内に配置される。接地アセンブリは接地基準に結合され、センサ電極から離して配置される。積分キャパシタは電圧源の負端に結合され、積分キャパシタはセンサ電極から粒子状物質構造部への電荷移動による電流パルスを時間的に積分するように構成される。電流計は、排気流中におけるセンサ電極から粒子状物質構造部への電荷移動に応答して電圧源に供給される電流の積分チャネルを測定するために電圧源に結合される。

本発明の幾つかの実施形態は方法に関する。本方法は、凸面状電極の表面における粒子凝集を促進させるために排気流を前記凸面状電極に方向付け、さらに前記排気流を前記凸面状電極と凹面状接地構造部との間に方向付けるステップと、前記排気流中に浮遊する粒子状物質の高い表面積対質量比の粒子状物質構造部への粒子凝集を促進するために前記凸面状電極と前記凹面状接地構造との間に不均一な電界を生成するステップと、凝集された粒子状物質構造物の剥落により生成される電流パルスを測定するステップと、前記電流パルスを、前記排気流中に含まれる前記粒子状物質の質量濃度に相関する値に積分するステップと、を備える。

本発明の幾つかの実施形態は粒子状物質を測定する装置に関する。本装置は電圧源、電極、接地構造部及び相関モジュールを備える。前記電極は、電極の表面に電極表面電荷を生成するために前記電圧源に電気的に結合されるとともに、排気流内に少なくとも部分的に配置され、前記電極の表面上で粒子状物質が少なくとも１つのフィラメント状構造物を形成するのを促進するために電界を発生し、前記フィラメント状構造は物前記電極表面電荷に実質的に等しい粒子状物質構造物表面電荷を有する。前記接地構造部は接地基準に結合されるとともに前記電極から離して配置され、前記電極の表面から剥がれ落ちる剥落フィラメント状構造物との電気的接触による電流パルスを受け取る。前記相関モジュールは、前記電流パルスを検出し、検出した電流パルスを前記排気流のための粒子状物質測定値と相関させる。

排気センサシステムの一実施形態の概略ブロック図を示す。 図１のセンサアセンブリの一実施形態の外部構造を示す概略図である。 図１のセンサアセンブリの一実施形態の内部構造を示す概略図である。 図２Ｂのセンサアセンブリの内部を通るフローパターンを示す概略図である。 図１の制御回路の一実施形態の概略回路図を示す。 図１の制御回路の別の実施形態の概略回路図を示す。

全図を通して、同一の素子を示すために同一の参照番号が使われている。

本明細書に概説され、添付図面に図示される実施形態のコンポーネントは多種多様の異なる構成に配置及び設計することができることは容易に理解されよう。従って、図に示される様々な実施形態の以下のより詳細な説明は本発明の範囲を限定する意図はなく、様々な実施形態の単なる例示である。実施形態の様々な特徴は図に示されるが、図は明確に示す場合を除いて必ずしも一定の縮尺で描かれていない。

本発明は本発明の精神又は本質的特徴から離れることなく他の特定の形態に具体化することができる。記載する実施形態はすべての点で単なる例示と考えるべきであり、限定と考えるべきでない。従って、本発明の範囲はこの詳細な説明よりも添付の請求の範囲の記載により特定される。請求の範囲の意味及びその同等範囲に入るあらゆる変更も本発明の範囲に含まれる。

本明細書中の特徴、利点又は同類語への言及は、本発明によって実現し得る特徴及び利点のすべてが本発明の任意の単一の実施形態にあることを意味しない。むしろ、特徴及び利点に言及する語は一実施形態と関連して記載される特定の特徴、利点又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するものと理解されたい。従って、本明細書中の特徴、利点及び同類語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態に関するものである。

さらに、記載する本発明の特徴、利点及び特性は１以上の実施形態に任意の方法で組み合わせることができる。当業者は、本明細書の記載に照らせば、本発明は特定の実施形態の１つ以上の特定の特徴又は利点なしで実施することができることを認識されよう。他の場合には、本発明のすべての実施形態に存在しないかもしれない幾つかの実施形態に追加の特徴及び利点が認識されるかもしれない。

本明細書中の「一実施形態」、「１つの実施形態」又は同類語は、図示の実施形態と関連して記載される特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の「一実施形態において」、「１つの実施形態において」という語句及び同類語句は、必ずしもそうではないが、すべて同じ実施形態に関するものである。

本明細書に概説され、添付図面に図示される実施形態のコンポーネントは多種多様の異なる構成に配置及び設計することができることは容易に理解されよう。従って、図に示される様々な実施形態の以下のより詳細な説明は本発明の範囲を限定する意図はなく、様々な実施形態の単なる例示である。実施形態の様々な特徴が図に示されるが、図は明確に示す場合を除いて必ずしも一定の縮尺で描かれていない。

本発明は本発明の精神又は本質的の特徴から離れることなく他の特定の形態に具体化することができる。記載する実施形態はすべての点で単なる例示と考えるべきであり、限定と考えるべきでない。従って、本発明の範囲はこの詳細な説明よりも添付の請求の範囲の記載により特定される。請求の範囲の意味及びその同等範囲に入るあらゆる変更もそれらの範囲内に含まれる。本明細書中の特徴、利点又は同類語への言及は、本発明によって実現し得る特徴及び利点のすべてが本発明の任意の単一の実施形態にあることを意味しない。むしろ、特徴及び利点に言及する語は一実施形態と関連して記載される特定の特徴、利点又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するものと理解されたい。従って、本明細書中の特徴、利点及び同類語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態に関するものである。

さらに、記載する本発明の特徴、利点及び特性は１以上の実施形態に任意の方法で組み合わせることができる。当業者は、本明細書の記載に照らせば、本発明は特定の実施形態の１つ以上の特定の特徴又は利点なしで実施することができることを認識されよう。他の場合には、本発明のすべての実施形態に存在しないかもしれない幾つかの実施形態に追加の特徴及び利点が認識されるかもしれない。

本明細書中の「一実施形態」、「１つの実施形態」又は同類語は、図示の実施形態と関連して記載される特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の「一実施形態において」、「１つの実施形態において」という語句及び同類語句は、必ずしもそうではないが、すべて同じ実施形態に関するものである。

記載する実施形態は凝集電荷の損失原理に基づいて動作する粒子状物質センサを含む。

微小粒子を含有する排気流は絶縁された高電圧源の正接続線に接続された電極に向けられる。これらの粒子は高電圧電極に自然に付着し、この電極上に層を形成する。数分の動作後に、十分な粒子が付着すると、電極上及び堆積粒子層上の表面凹凸が、粒子が優先的に付着する核生成点として作用する。

十分な層が形成されるまでの時間遅延は排気中の粒子濃度により決まる。代表的には、この時間遅延はディーゼルエンジンの排気中の代表的な煤濃度に対して５〜１０分である。しかしながら、この時間遅延は今まで排気ガスに曝されたことがない新しい電極にのみ該当するものである。最初に形成される煤層は電極上に永久に定着するので、この煤層はこの初期遅延を回避するためにセンサの製造プロセス中に人工的に生成することもできる。

センサの物理的幾何形状による高い電界強度のために、これらの粒子は電界強度が最強である核生成サイト、典型的には表面不完全部分又は凹凸部分に、優先的に付着する。煤粒子は電界の存在下で堆積し続け、拡散律速凝集（フラクタル又は樹枝状構造）を形成する。煤が凝集して大きなサイズ（ミクロン）に達すると、誘電泳動が生じ、それによって流体又はガス中の浮遊粒子は、それらの相対誘電率が周囲媒体の相対誘電率より高ければ、不均一な電界中の強い電界領域に向かって移動する。煤又は炭素の相対誘電率は概して５−１０であるが、排気ガスの相対誘電率は１に近い。煤又は炭素粒子は動作温度における内燃エンジンの排気中の粒子の大部分を占める。

これらの煤粒子が核生成点に付着するとき、それらはファンデルワールス力のような分子間力により保持される。一旦それらが接触し、それらが少なくとも部分的に導電性であれば、それらは電極表面と同じ表面電荷を獲得する。

同じ極性の電荷は反発しあうため、それらは同時に電極により反発される。しかしながら、このセンサで使用する電界強度（４００〜１５００Ｖ）は個々の粒子がこの付着力に打ち勝つほど強くない。

しかしながら、電界のために、煤粒子は電極から離れる方向に広がる分岐したフィラメント状の３次元構造物に凝集する。電界の影響の下で、これらの構造物は、各分岐が新しい粒子のための新しい核生成及び付着点として作用するが、同時に各分岐は等しい電荷及び極性を有するために他の分岐により反発されるので、それらの表面積を最大にするように自己組織化する傾向がある。若干時間後にこの構造物は、この構造物と電極煤層との間に得られる反発静電力がこの構造物が電極上の煤層に付着する点における付着力又はこの構造物の最も弱い付着力に打ち勝つのに十分な表面電荷を獲得する。

これらの構造物が電極から剥がれ落ちるとき、それらは電極の電荷の一部分をそれら一緒に搬送し、それらがセンサ又は排気システムの接地部分に接触するときそれらの電荷を堆積する。センサの接地部分へのこの電荷堆積は電極と接地との間を流れる電流パルスとして検出することができ、本実施形態では接地と高電圧源の負接続線との間の電流計により測定される。

電界中における分岐構造物の自己組織化のために、使用電圧が与えられると、これらの構造物は個々の粒子よりもはるかに高い単位質量当たりの電荷を担持することができる。ここに記載する実施形態では、単位質量当たりの電荷の比は接触電荷センサで使用される個々の粒子による電荷移動から予測されるものの１００−１０００倍高い。他の実施形態は個々の粒子による電荷移動に対して異なる単位質量当たりの電荷比を有することができる。

表面対質量比は電流、粒子質量流及び粒子サイズの測定値から予測され、獲得される単位質量当たりの電荷の仮想表現である。高い表面対質量比又は高い表面電荷密度対質量比の理由は、煤粒子は導電性であり、そのため煤粒子はそれらの表面にのみ電荷を担持するという事実に基づく。

測定の一例では、粒子の質量濃度は６ｍｇ／ｍ^３（単位排気ガス堆積当たりの粒子質量）であった。

測定粒子数は６＊１０^７粒子／ｃｃで、粒子の平均直径は５０ｎｍであった。測定電流は約４１ｎＡで、センサを流れるガス流量は約４７ｃｃ／秒であった。これは、２．８２＊１０^９の粒子がセンサを流れ、全粒子質量流量は２８２ｎｇ／秒であることを意味する。

従って、センサを流れる粒子の全表面積は、ほぼ球形の粒子と仮定すると、２．２１＊１０^−５ｍ^２／秒である。しかしながら、それらが電極に接触するとき、粒子の全表面積は計算に入れず、それらの断面積で概算される。それゆえ、概算有効面積は球形粒子に対して僅か５．５＊１０^−６ｍ^２／秒である。

従って、これらの粒子の有効表面対質量比は約１９．５ｍ^２／ｇである。

上述のセンサによれば１０００Ｖでの電極の表面電荷密度は約６．９＊１０^−５クーロン／ｍ^２である。

各粒子が電極から電極自身が持つ表面電荷密度と同じ表面電荷密度を獲得し、その電荷を移動する場合には、約３．８＊１０^−１０クーロン／秒又は０．３８ｎＡの電流になる。これは単位質量当たりの電荷移動として表現することもでき、この場合には約１．３５＊１０^−３クーロン／ｇである。

一実施形態では、センサで実際に測定される電流は約４１ｎＡである。

約４１ｎＡの電流の場合で、凝集塊は電極と同じ表面電荷密度を獲得するものと仮定した場合、電極から離れる方向に電荷を移送する凝集の全表面積は５．９＊１０^−４ｍ^２／秒でなければならない。センサを流れる総粒子質量は変化しないため、凝集に対する平均有効表面対質量比は約２０９２ｍ^２／ｇである。

本例では単位質量当たりの電界移送として表現すると、約０．１５クーロン／ｇになる。しかしながら、それは概して２桁以上の大きさの差があることを表している。他の実施形態は約１．５〜５桁の差を示すことができる。

動作中に、所定の粒子濃度に対して、凝集構造物が剥落する速度と凝集構造物が生成される速度が平衡する平衡状態に達する。煤濃度が高いほど凝集構造物の生成が速くなるため、より多くの大きな電流パルスを生じる。

また、電極の表面積が大きいほどより多くの凝集構造を生成する機会が多くなるため、より多くの電流パルスを生じる。

しかしながら、電極の表面積は不均一な電界を生成するために正の曲率にするのが好ましい。これは電極のサイズを物理的に制限する。幾つかの実施形態は大きな表面積を生成するために複数の小さい湾曲電極を使用することができる。

電流パルスは電子回路で積分され、流れる排気ガスの粒子濃度に比例する平均全電流を生じる。

電圧を増大させると、電極上により高い表面電荷密度及び凝集構造物が生じ、より高い平均振幅を有する電流パルスが生じるが、電圧の限界は凝集構造物の尖端からのイオン化放電の始まりであり、この放電は電極から接地へ電流を生じるが煤濃度に比例しない。

この電圧の大きさは実施形態の仕様に応じて実験的に決定しなければならない。

はるかに高い電流のために、この測定方法は電極取り付けの電気絶縁特性に関する要求が接触電荷センサで必要とされるよりもはるかに低くなる。加えて、信号増幅回路の感度を下げることができるため、システム増幅回路を高価なシールドなしで電気的に雑音の多い車両環境内に配置することができる。

図１は排気センサシステム１０の一実施形態の概略ブロック図を示す。図示の排気センサシステム１０はセンサアセンブリ１２、エンジン１４及び排気システム１６を含む。エンジン１４は排気を生じ、排気は排気システム１６を通過する。排気システム１６はガス出口１８への排気ガスの流れを概して大気中への放出のために促進する。センサアセンブリ１２は排気流中のパラメータを検出するために排気システム１６内に少なくとも部分的に挿入される。排気システム１６内のガスがセンサアセンブリ１２上及び／又は中を通過するとき、センサアセンブリ１２が、本明細書に記載するように、化学物質又は温度又は他のパラメータを測定することによって排気中の状態を検出する。特定の実施形態では、センサアセンブリ１２は排気流中の粒子状物質の存在を示す状態を検出するために粒子状物質センサを含む。

排気センサシステム１０は電子制御モジュール２０も含む。電子制御モジュール２０はプロセッサ２２及び電子メモリ装置２４を含む。電子制御モジュール２０はセンサアセンブリ１２の動作の一部又は全部を制御するために制御回路２６を含むことができる。或いはまた、制御回路２６の機能の一部又は全部はセンサアセンブリ１２に又は必ずしも電子制御モジュール２０の近くにない別の場所に実装することもできる。加えて、幾つかの実施形態では、制御回路２６は周辺システム（図示せず）を制御することができる。センサアセンブリ１２に実装し得る周辺システムの幾つかの例は、ヒータ（図示せず）又は化学中和システム（図示せず）を含むが、これらに限定されない。化学中和システムの代わりに又は加えて、いくつかの実施形態では排気システム１６内の化学薬品及び／又は物質の他の特性をセンサアセンブリ１０の上流又は下流で中和する排出制御素子（図示せず）を含むことができる。他の実施形態では、制御回路２６は排気センサシステム１０内の他の位置で周辺システムを制御することができる。

一実施形態では、センサアセンブリ１２はセンサ信号を電子制御モジュール２０のプロセッサ２２に中継する。プロセッサ２２はセンサアセンブリ１２からのセンサ信号を分析する。センサ信号が破損されている場合には、プロセッサ２２は例えばセンサアセンブリ１２をシャットダウンするために制御回路２６に制御信号を送る。この状態又は他の状態において、制御回路２６はセンサアセンブリ１２からのセンサ信号の破損を生じるかもしれない粒子状物質の堆積物を焼き払うためにセンサアセンブリ１２の内部に位置する又はこれに隣接して位置する１以上のヒータを駆動する。いくつかの実施形態では、プロセッサ２２はセンサアセンブリ１２上に形成された粒子状物質の堆積物を除去するために排気システム１６内に化学薬品を導入する化学薬品注入システムを駆動すべく制御回路２６にセンサ信号を送る。制御回路２６の実施形態の更なる機能が以下に記載される。

センサアセンブリ１２からのセンサ信号が破損されていない場合には、プロセッサ２２は排気システム１６内の排気の１つ以上の品質を決定するためにセンサ信号を電子メモリ装置２４のルックアップテーブル２８に記憶されたデータと比較することができる。例えば、プロセッサ２２は排気流中の粒子状物質の量を決定することができる。プロセッサ２２は、例えば排気流中の粒子状物質の質量濃度を推定するためにセンサアセンブリ１２からのセンサ信号をルックアップテーブル２８からのデータと比較することもできる。他の実施形態では、電子制御モジュール２０は排気システム１６内のガスの１以上の他の品質の検出を容易にする。例えば、排気流の品質を検出し得るセンサのタイプには、粒子状物質センサ、酸素センサ、熱センサ、アンモニアセンサ、流量センサ及び空気燃料比センサがあるが、これらに限定されない。

センサアセンブリ１０の実施形態はガス環境中の幾つかのガス成分の変動に耐えることができることにも注意されたい。このように、センサアセンブリ１０は排気流中の粒子状物質、材料又は他の状態を１つ以上の他の化学物質及び／又は動作状態からの比較的僅かな混乱又は混乱なしで測定するように校正することができる。

また、幾つかの実施形態では、センサアセンブリ１２は排気センサシステム１０の別のコンポーネントの故障を決定するために使用することができることにも注意されたい。例えば、センサアセンブリ１２は排気システム１６内の粒子状物質フィルタ（図示せず）の故障を決定するために使用することができる。一実施形態では、排気センサシステム１０内の故障はセンサアセンブリ１２により発生される上昇信号によって検出することができる。いくつかの実施形態では、排気センサシステム１０は排気センサシステム１０のセンサアセンブリ１２又は他のコンポーネントの検出された故障を表示するアラームを含むことができる。いくつかの実施形態では、センサアセンブリ１２は質量流量計等の他のセンサ又は検出器に結合することもできる。

図２Ａは図１のセンサアセンブリ１２の一実施形態の外部構造の概略図を示す。図２Ｂは図２Ａのセンサアセンブリ１２の一実施形態の内部構造の概略図を示す。センサアセンブリ１２の図示の外部コンポーネントはセンサハウジング１２０、中間ボルト部分１２２及びネジ部分１２４を含む。図示の外部コンポーネントはキャップ１２８を備える外部ハウジング１２６も含む。外部ハウジング１２６は外部ハウジング１２６内に空気流を提供する１以上の孔１３０を有する。キャップ１２８は外部ハウジング１２６内の空気流を促進するために別個の開口１３２を含む。センサアセンブリ１２の外部ハウジング１２６を通る空気流パターンの一例は図２Ｃに示され、以下に詳細に説明される。

参考のために、センサアセンブリ１２は排気センサシステム１００内に、センサアセンブリ１２のセンサハウジング１２０及びボルト部分１２２が概して排気システム１０６を通る排気流の外部に位置するように設置される。センサアセンブリ１２の外部ハウジング１２６及びキャップ１２８は排気システム１０６を通過する排気流内に設置される。破線１３４は、概して排気システム１０６の外部（破線の左側）に位置するセンサアセンブリ１２の部分と排気システム１０６の内部（破線１３４の右側）に位置するセンサアセンブリ１２の部分との境界を示す。一実施形態では、ネジ部分１２４によりセンサアセンブリ１２を排気システム１０６の対応する孔内にねじ込むことができる。ネジ部分１２４の一部分は排気システム１０６の外部に残すことができ、また排気システム１０６内に入れることができる。センサアセンブリ１２の外部コンポーネントの多くは、排気センサシステム１００内の典型的な機械的及び／又は化学的状態に殆ど感応しないステンレス鋼などの金属からなるものとすることができる。

一実施形態では、排気ガスがキャップ１２８を経て流れるとき、関連するベンチュリ効果が外部ハウジング１２６の内部から排気ガスを引き出す低い圧力を生成する。対応する量の排気ガスが周囲の排気ガス流から孔１３０を経て外部ハウジング１２６内に引き込まれる。外部ハウジング１２６内への周囲排気流の一部分の引き込みによってセンサ電極１３６で排気流中の粒子状物質（ＰＭ）の量を測定することが可能になる。

一実施形態では、電極１３６の大きな表面積は筒形に成形される。筒形体は重量低減のために中空にすることができる。筒形体の軸線は電極取付けステム１３８の軸線と一致させることができる。

図２Ｂはセンサアセンブリ１２の内部構造を示す。センサアセンブリ１２の内部構造はセンサ電極１３６及び電極取付けステム１３８、さらに内部バッフル１４０及び１以上の絶縁体１４２及び１４４を含む。図示の実施形態では、電界は電極１３６の表面と内部バッフル１４０との間に半径方向に延在する。電極１３６は内部バッフル１４０の内径より小さい外形を有するため、電界は電極１３６の表面の方が強くなる。一般に、センサアセンブリ１２を通過する排気ガスは排気入口１３０を経て外部ハウジング内に流入する。排気ガスは内部バッフルと外部ハウジング１２６との間の空間を通って内部バッフル１４０の基部にあるバッフル孔１４６へと流れる。その後ガスは筒形センサ電極１３６と筒形内部バッフル１４０との間の空間を通ってベンチュリキャップ１２８の排気出口１３２へと流れる。

排気ガスの流れは内部バッフルの孔１４６から内部バッフル１４０と電極１３６との間の空間へ流れるとき９０度回転しなければならないので、ガス流中に浮遊している粒子はガス分子に比較して大きいそれらの慣性のために電極１３６に向かって加速される。このフローパターンはさらに電極１３６上での粒子凝集塊の形成を助ける。

一実施形態では、内部バッフル１４０は金属製で、接地される。ベンチュリキャップ１２８も内部バッフル１４０に接続され、接地される。

電極１３６から剥離する凝集塊は等しい電荷を有するために電極１３６により反発され、電極１３６又は凝集塊と反対の表面電荷を有する内部バッフルの表面により引き付けられる。剥離した粒子凝集塊はガス流とともに内部バッフル１４０と電極１３６との間を流れ、ガス流はベンチュリ孔１３２から出て行くために２回以上回転しなければならないため、ガス流のこれらの回転によってさらに、内部バッフル１４０内のそれらの電荷を堆積しなかった凝集塊さえもそれらの慣性によりベンチュリキャップ１２８の接地表面部分に向かって加速することができる。

円板状の接地フィルタバッフル１４４及び高電圧フィルタバッフル１４８は電極絶縁体１４２へと移動する粒子に対して曲がりくねった通路を提供する。これらのフィルタバッフル間の電界はフィルタバッフル１４４の内縁及びフィルタバッフル１４８の外縁で非常に不均一になる。それゆえ、これらのフィルタバッフル間の通路に沿って移動する粒子はこれらのフィルタバッフルに引き付けられ、そこに付着する。センサを通る通常のガス流路は大きな構造物を生成するのに十分な煤粒子移動を生じない。従って、フィルタバッフルは絶縁体１４２上の粒子堆積を減速する。絶縁体１４２上の粒子堆積は、粒子凝集塊による電荷損失に平行して、これに加えて、電極１３６からセンサハウジング１２０への電荷損失を生成する導電性の通路を形成することができ、センサ性能に悪影響を与え得る。さらに、幾つかの実施形態では、絶縁体１４２は絶縁体１４２上の堆積煤粒子を焼き払うために内臓ヒータで周期的に加熱することができる。

幾つかの実施形態では、煤粒子のこの焼き払いは低い頻度で実施することができる。排気ガス中の粒子濃度が法定規制値よりはるかに高い場合でも、焼き払いは数時間の動作毎に実施するだけで十分とすることができる。

図３は図１の制御回路の一実施形態の概略電気ブロック図を示す。

高電圧源１０４の正接続線はセンサアセンブリ１２の電極１０８に接続され、内部バッフル１４０及びセンサアセンブリ１２の残部は接地される。センサアセンブリ１２のこの残部は概略電気ブロック図では部分１１０として示されている。高電圧源１０４の負接続線はフィルタ抵抗１１４の片側及びフィルタキャパシタ１１２の片側に接続される。抵抗１１４の反対側は電流計１０６の片側に接続され、電流計１０６の反対側は接地される。

抵抗１１４及びキャパシタ１１２は、例えば５−１０Ｈｚの大域幅を有する低域通過フィルタを形成する。センサアセンブリ１２の動作により生成される電流パルスはこの低域通過フィルタにより積分される。

図４は図３に示す概略ブロック図のより詳細な電気回路図を示す。概して、図示の制御回路１３６はジェネレータブロック１５０、保護ブロック１５２及び検出及びフィルタブロック１５４を含む。他の実施形態はもっと少ない又は多いブロックを含むこと及び／又は図示の１つ以上のブロック内にもっと少ない又は多いコンポーネントを含むことができる。

図示の実施形態では、ジェネレータブロック１５０はインパルスジェネレータ（ＩＧ）、双方向ツェナーダイオード（Ｚ１）、変圧器（Ｔｒ）、高電圧ダイオード（Ｄ１）及び高電圧キャパシタＣ１を含む。図示の変圧器は１：１０の巻数比を有する一次及び二次巻線を含むが、他の実施形態は異なる巻数比を有するものとし得る。保護ブロック１５２はクランプダイオードＤ２を含む。検出ブロック１５４はイニシャルフィルタ抵抗（ＲＦ）、イニシャルフィルタキャパシタ（ＣＦ）、演算増幅器（０Ａ）、利得抵抗（ＲＧ）ＰＭＯＳトランジスタ（Ｑ）及び電流−電圧変換抵抗（ＲＳ）を含む。

概して、制御回路１３６は比較的高い電圧を発生してセンサ電極１０８に供給し、センサ電極１０８が曝される排気流の粒子状物質のレベルと相関する出力信号を発生する。具体的に言うと、変圧器ＴＲの二次側、ダイオードＤ１及びキャパシタＣ１は図３に示すフローティング電圧源１０８の一実施形態である。特定の回路素子が特定の配置で示されているが、他の実施形態は同じもしくは類似の結果を達成するために同等もしくは異なる素子を使用することができる。さらに、図示の回路は実質的にハードウェアで実装されているが、制御回路１３６の幾つかの部分は中央プロセッサ又は他のディジタル信号処理装置で実行されるソフトウェア命令を用いて実装することができる。

一実施形態では、インパルスジェネレータ１５６は、特定の繰り返し周波数（例えば約１４００パルス／秒）及び最大振幅（例えば約１０００Ｖ）を有する短いパルス持続時間（例えば約１−２μ秒）の周期的インパルスを発生する。これらのインパルスはキャパシタＣ１を同じ振幅（例えば約１０００Ｖ）に充電する。キャパシタＣ１の正充電側はセンサアセンブリ１００のセンサ電極１０８に接続される。電極１０８で正に充電される凝集塊は周期的にキャパシタ電荷の一部分を持ち去り、よってキャパシタＣ１を接地基準（例えば車両接地）に対して放電する。この放電電流はイニシャルフィルタ抵抗ＲＦを経て流れ、イニシャルフィルタキャパシタＣＦで積分される。演算増幅器ＯＡは利得抵抗ＲＧ及びＰＭＯＳトランジスタＱとともに利得ＲＦ／ＲＧを有する反転電流増幅器を形成する。この増幅された電流ＩoutはＣＭＯＳトランジスタＱのドレインから電圧変換抵抗ＲＳへと流れる。従って、抵抗ＲＳの電圧はオームの法則に従ってＲＳ＊Ｉoutに比例する。放電電流を検出する他の方法を使用することもできる。

一実施形態では、インパルスジェネレータ１５６は車両電池電圧（例えば１２Ｖ）を受け、この車両電池電圧を変圧器の一次巻線の電流が一次巻線閾値に達するまで一次巻線へスイッチオンする。一実施形態では、一次巻線閾値は約３アンペアであるが、他の実施形態は異なる一次巻線閾値を使用することができる。規定の電流値に到達すると、電流は急速にスイッチオフされる。一実施形態では、一次巻線の誘導フライバックパルスが双方向ツェナーダイオードＺ１により１００Ｖの値に制限される。変圧器はその二次巻線と一次巻線との間に１０：１の巻数比を有するために、一次側で１００Ｖに制限されたフライバックパルスは二次側で１０００Ｖに変圧される。幾つかの実施形態は一次側で１００Ｖ及び二次側で１０００Ｖを使用するが、他の実施形態は異なる電圧及び／又は異なる巻数比を使用することができる。

インパルスジェネレータ１５６は、電池電圧を一次巻線へ周期的にスイッチオンして二次側に対応するパルスを規則的に発生させる。一実施形態では、パルスは０，７ミリ秒毎（１．４ｋＨｚ）に発生されるが、他の実施形態は異なるパルス発生周波数を使用することができる。

変圧器の二次側の１０００ＶパルスはダイオードＤ１を経て高電圧キャパシタＣ１を１０００Ｖに充電する。この回路は一次電圧制限型フライバックコンバータである。

高電圧キャパシタＣ１の１０００Ｖの充電値はセンサ電極１０８に接続される。

煤凝集塊がセンサアセンブリのセンサ電極１０８から接地部分１１０まで伸びる場合には、高電圧を接地へ短絡する短絡回路が形成される。これはキャパシタＣ１を急速に放電する高い電流を生じるとともに、キャパシタＣＦが高い負電圧に急速に充電される。保護ダイオードＤ２はキャパシタＣＦが約０．７Ｖより負の電圧に充電されるのを阻止する。キャパシタＣ１の高い放電電流は短絡煤凝集塊を形成する粒子をそれらの焼き払いに十分な高温度まで加熱する。こうして、このタイプの短絡回路は自己消失する。

高電圧キャパシタＣ１の負側はイニシャルフィルタ抵抗ＲＦ及びイニシャルフィルタキャパシタＣＦに接続される。フィルタキャパシタＣＦは前述したように剥がれ落ちる煤凝集塊により生じる電流パルスを積分する。したがって、抵抗ＲＦの平均電流は煤凝集塊がセンサ又は排気システムの接地部分へと剥がれ落ち堆積することによって生じる電極からの電荷の損失率に比例する。この積分電流はセンサを貫流する排気ガスの煤濃度と相関する。電流パルスの積分を必要とするために、このセンサの応答時間はＲＦ及びＣＦからなる低域通過フィルタの帯域幅により決まる。代表的な実装例では、この大域幅は１０Ｈｚ以下である。

排気センサシステム１００は電子制御モジュール２０も含む。電子制御モジュール２０はプロセッサ２２及び電子メモリ装置２４を含む。電子制御モジュール２０はセンサアセンブリ１２の動作の一部又は全部を制御する制御回路２６も含むことができる。また、制御回路２６の機能の一部又は全部をセンサアセンブリ１２で、又は必ずしも電子制御モジュール２０に隣接しない別の場所で、実施することもできる。加えて、幾つかの実施形態では、制御回路２６は周辺システム（図示せず）を制御することができる。センサアセンブリ１２に実装し得る周辺システムのいくつかの例はヒータ（図示せず）又は化学中和システム（図示せず）を含むが、これらに限定されない。化学中和システムの変わりに又は加えて、幾つかの実施形態は排気システム１０６内の化学薬品及び／又は物質の他の特性をセンサアセンブリ１０の上流又は下流で中和するために排出制御素子（図示せず）を含むことができる。

以上の説明において、様々な実施形態の特定の詳細が提供されている。しかしながら、幾つかの実施形態はこれらの特定の詳細のすべてでなくても実施することができる。例えば、説明を簡単且つ明瞭にするために、本発明の様々な実施形態を可能にするよりも、所定の方法、プロシージャ、コンポーネント、構造及び／又は機能について記載されている。

本明細書においては方法の動作を特定の順序で示し説明しているが、各方法の動作の順序は、ある動作が他の動作と逆の順序で実行されるように又はある動作が他の動作と少なくとも部分的に同時に実行されるように変更することもできる。別の実施形態では、個別動作の命令又はサブ動作を間欠的に及び／又は交互に実行させることができる。

本発明の特定の実施形態について図に示し説明したが、本発明はこのように図示され説明されたコンポーネントの特定の形態又は配置に限定されない。本発明の範囲は本書に添付の請求の範囲及びそれらの同等部分の記載により特定される。

Claims (30)

1. 粒子状物質を測定するセンサアセンブリであって、前記センサアセンブリは、
   電圧源と、
   電圧を受け取るように前記電圧源に結合されたセンサ電極であって、そのセンサ電極表面における粒子状物質構造物への粒子凝集が促進するように前記センサアセンブリ内の制御された定方向の排気流内に配置されたセンサ電極と、
   接地基準電位に結合され且つ前記センサ電極から離して配置された接地アセンブリと、
   前記電圧源の負側に結合され、前記センサ電極から前記粒子状物質構造物への電荷移動による電流パルスを時間的に積分するように構成された積分キャパシタと、
   前記排気流中における前記センサ電極から前記粒子状物質構造物への電荷移動に応答して前記電圧源に供給される電流の積分値を測定するために前記電圧源に結合された電流計と、
   を備える、センサアセンブリ。
2. 前記粒子状物質構造物は高い表面電荷密度対質量比を有する、請求項１記載のセンサアセンブリ。
3. 前記センサ電極に結合された制御回路をさらに備え、前記制御回路は前記センサ電極から前記粒子状物質構造物への電荷移動に少なくとも部分的に依存する出力信号を発生するように構成され、前記出力信号は前記排気流中の粒子状物質の測定レベルと相関する、請求項１記載のセンサアセンブリ。
4. 前記センサアセンブリは前記センサ電極及び前記接地アセンブリから分離した別の電極なしで動作するように構成されている、請求項１記載のセンサアセンブリ。
5. 前記センサ電極と前記接地アセンブリとの間の距離は約０．５〜２ミリメートルである、請求項１記載のセンサアセンブリ。
6. 前記センサ電極に供給される電圧は下限電圧値と上限電圧値との間であり、前記下限電圧値は高い表面積対質量比の構造物への粒子凝集塊の自己組織化を促進するのに十分であり、前記上限電圧値は前記センサ電極又は前記粒子状物質構造物から前記排気流を通して放電を生じさせるのに不十分である、請求項１記載のセンサアセンブリ。
7. 前記センサ電極は筒状部を有する電極を備える、請求項１記載のセンサアセンブリ。
8. 前記センサ電極の筒状部の大部分を実質的に取り囲む内部バッフルを備える、請求項７記載のセンサアセンブリ。
9. 前記内部バッフルは前記センサアセンブリのハウジングに電気的に結合され、前記センサ電極は前記内部バッフル及び前記ハウジングから絶縁されている、請求項７記載のセンサアセンブリ。
10. 前記ハウジングは前記内部バッフルを少なくとも部分的に取り囲み、前記排気流の一部分を前記ハウジングに入れる入口を備え、前記内部バッフルは前記内部バッフルと前記ハウジングとの間にフローパターンを生成するために前記ハウジングの入口からずれた位置に少なくとも１つの孔を画定し、前記内部バッフルの前記少なくとも１つの孔は、前記フローパターンを前記センサ電極の表面に向け、さらに前記内部バッフルの少なくとも１つの孔と前記ハウジングの出口との間で実質的に前記センサ電極の長さに沿って流すように構成されている、請求項９記載のセンサアセンブリ。
11. 前記センサ電極の電気絶縁性の取付け部分への粒子堆積を阻止するために、前記センサ電極の一部分及びセンサ包囲構造部が静電粒子フィルタとして作用するように軸方向に一連のディスク状に配列されている、請求項１記載のセンサアセンブリ。
12. ハウジングをさらに備え、該ハウジングは、
    排気入口と、
    前記排気流中に配置されたとき、前記排気流の少なくとも一部分を前記排気入口から排気流室内に引き込むベンチュリキャップと、
    を備える、請求項１記載のセンサアセンブリ。
13. 排気流室の一端を画定するとともに前記センサ電極を第１の端の近傍で取り付けるために、前記ハウジング内に配置された絶縁体をさらに備える、請求項１２記載のセンサアセンブリ。
14. ＤＣ電圧信号を発生し前記センサ電極に供給するように構成されたジェネレータブロックと、
    前記センサ電極の接地への短絡時に前記ＤＣ電圧信号の高電流の放電を容易にするとともに前記センサアセンブリを過大高電圧から保護するための保護ブロックと、
    積分電流を増幅する電流増幅器と、
    をさらに備える、請求項１記載のセンサアセンブリ。
15. 凸面状電極の表面における粒子凝集を促進させるために排気流を前記凸面状電極に方向付け、さらに前記排気流を前記凸面状電極と凹面状接地構造部との間に方向付けるステップと、
    前記排気流中に浮遊する粒子状物質の高い表面積対質量比の粒子状物質構造部への粒子凝集を促進するために前記凸面状電極と前記凹面状接地構造との間に不均一な電界を生成するステップと、
    凝集された粒子状物質構造物の剥落により生成される電流パルスを測定するステップと、
    前記電流パルスを、前記排気流中に含まれる前記粒子状物質の質量濃度に相関する値に積分するステップと、
    を備える方法。
16. 前記不均一な電界を生成するステップは、下限電圧値と上限電圧値との間での電圧を供給するステップをさらに含み、前記下限電圧値は粒子状物質構造物への粒子状物質の粒子凝集を促進するのに十分であり、前記上限電圧値は前記凸面状電極又は前記凝集した粒子状物質構造物から前記排気流を通して放電を生じさせるのに不十分である、請求項１５記載の方法。
17. 前記凸面状電極と前記凹面状接地構造部との間の空間は約０．５〜２ミリメートルである、請求項１５記載の方法。
18. 前記排気流を方向付けるステップは、前記排気流を前記凸面状電極及び前記凹面状接地構造部を少なくとも部分的に取り囲むハウジングの入り口に通し、前記排気流を前記ハウジングからベンチュリ効果により引き出して前記凸面状電極に沿うフローパターンを生成するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
19. 前記不均一な電界を生成するステップは、前記凸面状電極を前記凹面状接地構造部から、前記凸面状電極をステップ部分的に構造的に支持するように構成された絶縁体で絶縁するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
20. 前記絶縁体への前記排気流からの粒子状物質の堆積を低減するために、前記凸面状電極の軸円板部を前記凹面状接地構造部の一部分と静電的に相互作用させるステップをさらに備える、請求項１９記載の方法。
21. 粒子状物質を測定する装置であって、前記装置は、
    電圧源と、
    電極の表面に電極表面電荷を生成するために前記電圧源に電気的に結合された電極であって、排気流内に少なくとも部分的に配置され、前記電極の表面上で粒子状物質が前記電極表面電荷に実質的に等しい少なくとも１つのフィラメント状の粒子状物質構造物を形成するのを促進するために電界を発生する、電極と、
    接地基準点に結合され、前記電極から離して配置され、前記電極の表面から剥がれ落ちる剥落フィラメント状構造物との電気的接触による電流パルスを受け取るように構成された接地構造部と、
    前記電流パルスを検出し、検出した電流パルスを前記排気流のための粒子状物質測定値と相関させる相関モジュールと、
    を備える装置
22. 前記電界は４００〜１５００ｋＶ／ｍの電界強度を有する、請求項２１記載の装置。
23. 前記少なくとも１つのフィラメント状構造物は高い表面電荷密度対質量比を有する、請求項２１記載の装置。
24. 前記電極は実質的に凸円筒部分を備える、請求項２１記載の装置。
25. 前記接地構造部は前記電極を少なくとも部分的に取り囲む、請求項２１記載の装置。
26. 前記電極と前記接地構造部との間の距離は約０．５〜２ミリメートルである、請求項２１記載の装置。
27. 前記電極及び前記接地構造部を少なくとも部分的に取り囲むハウジングを備える、請求項２１記載の装置。
28. 前記はハウジング、前記排気流の一部分が前記電極の電界中を通過し、前記電極上に粒子状物質を堆積できるようにする少なくとも１つの排気流入口を供える、請求項２７記載の装置。
29. 前記ハウジングは、前記排気流内に配置されたとき前記排気流の少なくとも一部分を前記排気流入口内に引き込むベンチュリキャップを備える、請求項２８記載の装置。
30. 前記ハウジング及び前記ベンチュリキャップは前記接地構造部に電気的に接続されている、請求項２９記載の装置。

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