DE102011006167A1

DE102011006167A1 - Gassensor und Verfahren zur Erfassung der Unterbrechung bei einem Gassensor

Info

Publication number: DE102011006167A1
Application number: DE201110006167
Authority: DE
Inventors: Yuuzou Matsumoto; Mikiyasu Matsuoka; Takashi Sawada; Katsuhide Akimoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-10-20
Also published as: JP2011203093A

Abstract

Ein Gassensor (1) ist einem Messgas zur Erfassung einer Konzentration von leitenden Teilchen in dem Gas ausgesetzt. Bei dem Gassensor erfasst eine Unterbrechungserfassungseinrichtung (13, 13a), ob eine Unterbrechung in Leitungspfaden (111 bis 117, 121 bis 127) aufgetreten ist. Die Unterbrechungserfassungseinrichtung umfasst einen Unterbrechungserfassungswiderstand (13, 13a) mit einem vorbestimmten Widerstandswert. Der Widerstand ist mit Erfassungselektroden (110, 120) auf einer Seite der Erfassungselektroden, die einer Widerstandsmesseinrichtung (60) gegenüberliegt, elektrisch verbunden, und mit einem zwischen den Erfassungselektroden zu erzeugenden elektrischen Widerstand (Rsen) parallel geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der in einem Messgas wie etwa dem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltene leitende Teilchen erfasst, sowie ein Unterbrechungserfassungsverfahren zur Erfassung einer Unterbrechungsanomalie bei dem Gassensor im Frühstadium.
In letzter Zeit sind Versuche unternommen worden, umweltschädliche Materialien wie etwa Stickoxide (NOx), Feinstaub (FS) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu reduzieren, wie sie in dem Abgas von Dieselmotoren, Magermischbenzinmotoren und dergleichen unter Verwendung einer Kombination aus einem Brennstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung (sogenanntes „common rail fuel injection system”), einem Kompressor, einem Oxidationskatalysator, einem Dieselfeinstaubfilter (DPF), einem selektiven katalytischen Reduktionssystem (SCR), einem Abgasrückführungssystem (EGR) und dergleichen enthalten sind.
Der bei einem derartigen System verwendete DPF weist im Allgemeinen eine Honigwabenstruktur aus einer porösen Keramik mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit und zahlreichen feinen Löchern auf. Der DPF ist derart eingerichtet, dass der Feinstaub (FS) in den feinen Löchern eingefangen wird, die in den porösen Partitionswänden vorhanden sind. Wenn sich der Feinstaub in den feinen Löchern ansammelt und diese verstopft, und der Druckverlust ansteigt, wird der DPF durch eine Verbrennungseinrichtung, eine Erwärmungseinrichtung oder dergleichen erhitzt. Alternativ wird das DPF durch Injektion von Hochtemperaturabgas in das DPF durch Postinjektion erhitzt, welche eine geringe Menge Brennstoff nach der Explosionsverbrennung im Motor injiziert oder dergleichen. Der in dem DPF angesammelte Feinstaub wird dann durch Verbrennung entfernt, und das DPF kann regeneriert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Verbrennungseffizienz des Verbrennungsmotors ist eine bordeigene Diagnostikvorrichtung (sogenannte on-board diagnostics device), die den Zeitablauf der DPF-Regeneration beurteilt, wie etwa nach vorstehender Beschreibung, und die Verschlechterung, Beschädigung und dergleichen des DPF erfasst, sowie ein zur kontinuierlichen hochgenauen Erfassung des in dem Abgas enthaltenen Feinstaubs während einer Rückkopplungssteuerung und dergleichen des Verbrennungsmotors befähigter Gassensor erforderlich. Wenn außerdem ein Feinstaub erfassender Gassensor wie der vorstehend beschriebene verwendet wird, ist eine zuverlässige Sicherung vor Fehlern gegen einen Ausfall des Gassensors erforderlich.
Als eine Erfassungseinrichtung für den Feinstaub im Abgas offenbart die Druckschrift JP-A-S59-197847 einen Rauchkonzentrationssensor, bei dem ein Elektrodenpaar auf der Oberfläche eines wärmebeständigen und elektrisch isolierten Substrates ausgebildet ist. Der Bereich zwischen den Elektroden dient als Erfassungsabschnitt. Ein Heizelement ist auf der Rückoberfläche des Substrates, innerhalb des Substrates, oder an beiden Stellen ausgebildet. Ein leitender Abschnitt auf dem Substrat, ausschließlich der den Erfassungsabschnitt ausbildenden Elektroden, des Erfassungsabschnitts und Anschlussabschnitten, ist durch eine luftdichte Schutzschicht aus einem elektrisch isolierten Material bedeckt. Die Wärmedichte des Heizelementes nahe der Grenze zwischen dem Erfassungsabschnitt und der Schutzschicht ist höher als die Wärmedichte des Erfassungsabschnitts eingestellt, und die Temperatur des Erfassungsabschnitts ist auf einen Bereich zwischen 400°C und 600°C eingestellt.
Bei einem bekannten Rauchkonzentrationssensor wie etwa dem in der Druckschrift JP-A-S59-197847 beschriebenen, existiert jedoch eine Totzeit, bis der elektrische Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar mit der Ansammlung von Rauch graduell abnimmt und eine elektronische Schaltung in der Lage ist, den elektrischen Widerstand zu erfassen, weil das Elektrodenpaar sich in einem voneinander isolierten Zustand befindet, wenn der Rauch nicht angesammelt ist, obwohl die elektronische Schaltung den elektrischen Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar erfasst, der sich in Abhängigkeit von der Ansammlung des leitfähigen Rauchs ändert.
Als Verfahren zur Lösung des Problems einer derartigen Totzeit offenbart die Druckschrift WO-A-2008/138661 eine Teilchenerfassungsvorrichtung, die eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung von Teilchen innerhalb eines Gasflusses ist. Die Teilchenerfassungsvorrichtung beinhaltet ein aus zumindest zwei auf einem Substrat ausgebildeten Elektroden zusammengesetztes Elektrodenpaar. Die zumindest zwei Elektroden des Elektrodenpaars sind durch eine leitende Schicht bedeckt. Der Widerstandswert der leitenden Schicht ist kleiner gleich eines minimalen Widerstandswertes des durch die Teilchen in dem Messgas ausgebildeten Widerstands.
Zudem offenbart die Druckschrift EP-A-1925926 eine Erfassungsvorrichtung und ein Anomalieerfassungsverfahren, bei dem eine Teilchenerfassungsvorrichtung, wie etwa die vorstehend beschriebene, ein separates Referenzelektrodenpaar zusätzlich zu einem Erfassungselektrodenpaar zur Erfassung der Teilchen innerhalb des Gasflusses beinhaltet. Wenn das Verhältnis oder die Differenz zwischen dem zwischen dem Erfassungselektrodenpaar fließenden Strom und dem zwischen dem Referenzelektrodenpaar fließenden Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird eine Unterbrechung bestätigt.
Wenn jedoch die Totzeit, bis zu der ein Widerstand erfassbar wird, der durch die zwischen zwei Elektroden angesammelten Teilchen ausgebildet wird, durch Leitung zwischen den beiden Elektroden durch die ausgebildete leitende Schicht wie etwa zur Bedeckung der Elektroden gemäß der Druckschrift WO-A-2008/138661 eliminiert wird, ist ein Widerstandswert innerhalb eines extrem schmalen Bereiches als Widerstandswert der leitenden Schicht erforderlich.
Bei einer derartigen Teilchenerfassungsvorrichtung müssen jedoch die auf dem Erfassungselektrodenpaar angesammelten Teilchen durch Erwärmen und Verbrennen entfernt werden. Wenn der Erwärmungsvorgang während der Verwendungsdauer wiederholt wird, tritt daher ein Migrationsvorgang auf, bei dem Metallbestandteile zwischen der leitenden Schicht und den Elektroden wandern, wodurch eine Änderung im Widerstandswert der leitenden Schicht verursacht wird. Die Änderung im Widerstandswert der leitenden Schicht beeinflusst die Erfassungsergebnisse, und die Teilchen innerhalb des Gasflusses können womöglich nicht mehr genau erfasst werden.
Zudem wird bei einer derartigen Erfassungsvorrichtung die Leitung zwischen den Gesamtoberflächen der beiden Elektroden durch die leitende Schicht aktualisiert. Selbst wenn eine Unterbrechungsanomalie bei einer oder den beiden Elektroden auftritt, kann daher die Unterbrechungsanomalie nicht erfasst werden, weil ein leitender Pfad durch die leitende Schicht ausgebildet wird, der Elektrizität durch den unterbrochenen Bereich hindurchleitet.
Wenn zusätzlich die Unterbrechung des Elektrodenpaars basierend auf einem Vergleich mit dem Referenzelektrodenpaar gemäß der Druckschrift JP-A-1925926 erfasst wird, können die Herstellungskosten ansteigen, weil doppelt so viele Elektrodenpaare erforderlich sind, wie wenn die Teilchen wie vorher durch ein einzelnes Elektrodenpaar erfasst werden.
Darüber hinaus mag die Unterbrechung des Referenzelektrodenpaars selbst nicht erfasst werden.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hochzuverlässigen Gassensor bereitzustellen, der keine Totzeit aufweist, und der zur raschen Erfassung einer Unterbrechungsanomalie befähigt ist, wobei der Gassensor von der Bauart ist, die die Konzentration von in einem Messgas enthaltenen leitenden Teilchen unter Verwendung einer einfachen Konfiguration erfasst, und wobei außerdem ein Verfahren zur Erfassung einer Unterbrechung bei dem Gassensor bereitgestellt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung ein Gassensor (1) bereitgestellt, der einem zu messenden Gas zur Erfassung der Konzentration von leitenden Teilchen in dem Gas ausgesetzt ist. Der Gassensor umfasst ein Teilchenerfassungselement (10) mit einem elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrat (100) mit einer Oberfläche, einem Erfassungsabschnitt (11), der mit einem einzelnen Paar Erfassungselektroden (110, 120) versehen ist, die dem Gas ausgesetzt sind, und die auf der Oberfläche des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates so angeordnet sind, dass sie mit einem vorbestimmten Zwischenraum einander zugewandt angeordnet sind, sowie einen Erwärmungsabschnitt (141), der den Erfassungsabschnitt erwärmt. Der Gassensor umfasst ferner eine Widerstandsmesseinrichtung (60), einen Leitungspfad (111 bis 117, 121 bis 127), sowie eine Unterbrechungserfassungseinrichtung (13, 13a). Die Widerstandsmesseinrichtung (60) misst einen zwischen den Erfassungselektroden zu erzeugenden elektrischen Widerstand (R_sen), wobei die Widerstandsmesseinrichtung mit einer der beiden Enden (112, 122) der Erfassungselektroden elektrisch verbunden ist, und wobei der elektrische Widerstand sich in Abhängigkeit von der durch das Teilchenerfassungselement erfassten Menge leitender Teilchen ändert. Der Leitungspfad (111 bis 117, 121 bis 127) stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Erfassungsabschnitt (11) und der Widerstandsmesseinrichtung (60) bereit. Die Unterbrechungserfassungseinrichtung (13, 13a) erfasst, ob eine Unterbrechung in den Leitungspfaden auftrat. Die Unterbrechungserfassungseinrichtung umfasst einen Unterbrechungserfassungswiderstand (13, 13a) i) mit einem vorbestimmten Widerstandswert, ii) der mit den Erfassungselektroden auf einer Seite der Erfassungselektroden gegenüber der Widerstandsmesseinrichtung (60) angeordnet ist, und iii) der parallel zu dem zwischen den Erfassungselektroden (110, 120) zu erzeugenden elektrischen Widerstand (R_sen) angeordnet ist.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration nimmt der Gesamtwiderstand aus dem Erfassungswiderstand und dem Unterbrechungserfassungswiderstand ab, weil der in dem Erfassungsabschnitt durch die Ansammlung der Teilchen ausgebildete Erfassungswiderstand und der Unterbrechungserfassungswiderstand parallel geschaltet sind. Wenn durch die Widerstandsmesseinrichtung die Erfassung durchgeführt wird, kann der durch das Teilchenerfassungselement fließende Strom auf eine Erfassungsgrenze der Widerstandsmesseinrichtung oder darüber hinaus erhöht werden, und eine Totzeit kann eliminiert werden.
Zudem sind die den Erfassungsabschnitt und die Widerstandsmesseinrichtung verbindenden Leitungspfade in Reihe angeordnet, wobei der Unterbrechungserfassungswiderstand dazwischen geschaltet ist. Wenn eine Unterbrechung in den mit Strom versorgten Pfaden auftritt, wird daher die Ausgangsspannung, unmittelbar nachdem die in dem Erfassungsabschnitt angesammelten Teilchen durch den Erwärmungsabschnitt erwärmt und durch Verbrennung entfernt worden sind, zu null. Daher kann die Unterbrechung in den mit Strom versorgten Pfaden, welche den Erfassungsabschnitt und die Widerstandsmesseinrichtung verbinden, sicher erfasst werden, und eine Reaktion zur Lösung der Anomalie wie etwa das prompte Auslösen einer Warnung bezüglich der Anomalie kann ergriffen werden.
Es wird bevorzugt, dass das einzelne Paar Erfassungselektroden als zwei kammförmige Erfassungselektroden mit jeweils einer Vielzahl von zahnförmigen Elektroden ausgebildet ist, wobei die zahnförmigen Elektroden der beiden Erfassungselektroden einander zugewandt sind. Gemäß dieser Konfiguration wird zusätzlich zu der wie bei der ersten Ausgestaltung eliminierten Totzeit die Ausgangsspannung zu null, wenn eine Unterbrechung in den Leitungspfaden in einem anderen Bereich als der Bereich des Erfassungsabschnitts auftritt, in dem die Teilchen angesammelt sind. Daher kann die Unterbrechung erfasst werden.
Vorzugsweise ist das einzelne Erfassungselektrodenpaar so ausgebildet, dass es teilweise absatzförmige Abschnitte (110e, 120e) aufweist, die einander zugewandt sind. Weil alle den Erfassungsabschnitt mit dem Erfassungselektrodenpaar und die Widerstandsmesseinrichtung verbindenden Leitungspfade mit dem Unterbrechungserfassungssensor dazwischen in Reihe geschaltet sind, wird gemäß dieser Konfiguration zusätzlich zu der Elimination der Totzeit wie bei der ersten Ausgestaltung die Ausgangsspannung, unmittelbar nachdem die in dem Erfassungsabschnitt angesammelten Teilchen durch den Erwärmungsabschnitt erwärmt und durch Verbrennung entfernt sind, zu null, wenn eine Unterbrechung entweder bei der Erfassungselektrode oder den mit Strom versorgten Pfaden auftritt, ungeachtet der Position der Unterbrechung in der Erfassungselektrode oder den mit Strom versorgten Pfaden. Daher kann die Unterbrechung sicher erfasst werden, und eine Reaktion kann zur Lösung der Anomalie ergriffen werden, wie etwa indem eine Warnung bezüglich der Anomalie prompt ausgelöst wird. Somit kann ein Gassensor mit noch größerer Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.
Noch bevorzugter ist der Unterbrechungserfassungswiderstand (13a) an einem thermisch stabilen Ort auf der Oberfläche des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrats (100) angeordnet. Daher wird der Widerstandswert des Unterbrechungserfassungswiderstands stabil, und die Unterbrechungserfassung kann sicher ausgeführt werden.
Der Unterbrechungserfassungswiderstand (13a) kann ein Thermistor mit wärmeempfindlichen Eigenschaften sein, der nahe dem Erfassungsabschnitt angeordnet ist. Daher kann zusätzlich zu den Wirkungen nach der ersten Ausgestaltung die Temperatur des Erfassungsabschnitts erfasst werden. Das Temperaturmanagement des Erfassungsabschnitts während der Teilchenerfassung sowie die Temperatursteuerung des Erwärmungsabschnitts können genauer aktualisiert werden, und ein Gassensor mit noch höherer Zuverlassigkeit kann verwirklicht werden.
Als weitere Ausgestaltung der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Erfassung einer Unterbrechung bei einem Gassensor gemäß der vorstehenden Beschreibung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Vergleichen einer Spannung mit einem Schwellenwert, wobei die Spannung durch einen Gesamtwiderstand erfasst wird, der aus einer Kombination des Unterbrechungserfassungswiderstands und des zwischen den Erfassungselektroden (110, 120) zu erzeugenden elektrischen Widerstands (R_sen) erhalten wird; und Bestimmen, ob die Unterbrechung auftrat oder nicht, in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis aus der Spannung mit dem Schwellenwert.
Gemäß dieser Konfiguration wird die Leitfähigkeit zumindest durch den Unterbrechungserfassungswiderstand sichergestellt, solange keine Unterbrechung aufgetreten ist. Daher wird die Ausgangspannung jederzeit erzeugt. Wenn die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Schwellenwert unter Beachtung von Fehlern überschreitet, kann geurteilt werden, dass definitiv eine Unterbrechung aufgetreten ist.
Ob beurteilt wird, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist, wenn die Ausgangsspannung ein vorbestimmter Schwellenwert oder höher ist, oder wenn die Ausgangsspannung ein vorbestimmter Schwellenwert oder niedriger ist, kann entsprechend geändert werden, in Abhängigkeit davon, ob die Widerstandsmesseinrichtung auf der Hochpotenzialseite oder der Niederpotenzialseite des Erfassungswiderstands bereitgestellt wird, ob die Ausgangsspannung eine invertierte Ausgabe oder eine nicht invertierte Ausgabe ist, ob der Schwellenwert auf der Hochpotenzialseite oder der Niederpotenzialseite der Ausgangsspannung bereitgestellt ist, und dergleichen.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner die Schritte Verbrennen der auf dem Erfassungsabschnitt (11) angesammelten leitenden Teilchen durch Ansteuern des Erwärmungsabschnitts (141); und Bestimmen, ob die angesammelten leitenden Teilchen vollständig verbrannt sind oder nicht, basierend auf Informationen zumindest über eine Verbrennungsdauer der leitenden Teilchen und einer Ausgabe des Teilchenerfassungselementes (10), wobei der Schritt zur Bestimmung der Unterbrechung die Ausgabe des Teilchenerfassungselementes (10) in Fällen verwendet, bei denen der Schritt zur Bestimmung der Verbrennung bestimmt, dass die angesammelten leitenden Teilchen vollständig verbrannt worden sind. Daher kann die Beurteilung, ob eine Unterbrechung aufgetreten ist, in einem Zustand erfolgen, bei dem die Teilchen durch Verbrennung sicher entfernt worden sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Die 1A bis 1C Schaubilder für einen Überblick über einen Gassensor mit einem Teilchenerfassungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 1A eine Explosionsansicht zeigt, 1B ein Ersatzschaltbild für einen Erfassungsabschnitt während einer Feinstaubansammlung zeigt, und 1C das Ersatzschaltbild des Erfassungsabschnitts nach der Feinstaubverbrennung zeigt;
2 eine Explosionsansicht von einem abgewandelten Beispiel des Teilchenerfassungselementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Die 3A und 3B Schnittansichten aus zwei Richtungen zur Darstellung eines Gesamtüberblicks über den Gassensor unter Verwendung eines Teilchenerfassungselementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Explosionsansicht von einem weiteren abgewandelten Beispiel des Teilchenerfassungselementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Die 5A und 5B Übersichtsdarstellungen von einem weiteren abgewandelten Beispiel des Teilchenerfassungselementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 5A eine von der Erfassungsabschnittsseite dargestellte Perspektivansicht und 5B eine von einer Rückoberflächenseite dargestellte Perspektivansicht zeigen;
6 eine Explosionsansicht von einem weiteren abgewandelten Beispiel des Teilchenerfassungselementes nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Die 7A bis 7C Übersichtsdiagramme von einem Gassensor mit einem Teilchenerfassungselement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 7A eine Explosionsansicht zeigt, 7B ein Ersatzschaltbild von einem Erfassungsabschnitt während der Feinstaubansammlung zeigt, und 7C ein Ersatzschaltbild des Erfassungsabschnitts nach der Feinstaubverbrennung zeigt;
Die 8A bis 8D Diagramme von einem abgewandelten Beispiel für das Teilchenerfassungselement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 8A eine Draufsicht zeigt, 8B eine Schnittansicht davon zeigt, 8C eine Draufsicht eines weiteren abgewandelten Beispiels zeigt und 8D eine Schnittansicht davon zeigt;
Die 9A und 9B Diagramme eines abgewandelten Beispiels des Erfassungsabschnitts gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 9A ein Ersatzschaltbild unter Verwendung einer Konstantstromquelle zeigt, und 9B ein Ersatzschaltbild unter Verwendung einer Konstantspannungsquelle zeigt;
Die 10A und 10B Flussdiagramme für ein Unterbrechungserfassungsverfahren, das bei dem erfindungsgemäßen Gassensor verwendet wird, wobei 10A das grundlegende Flussdiagramm und 10B das Flussdiagramm für eine noch sicherere Unterbrechungserfassung zeigt;
11 ein Flussdiagramm für ein bei dem erfindungsgemäßen Gassensor verwendetes Unterbrechungserfassungsverfahren;
12 ein Diagramm zur Darstellung der Totzeiteliminierungswirkungen bei dem erfindungsgemäßen Teilchenerfassungselement und ein Vergleichsbeispiel; und
Die 13A und 13B Schaubilder zur Darstellung der Unterbrechungserfassungswirkungen bei dem erfindungsgemäßen Gassensor, wobei 13A ein Eigenschaftsdiagramm zeigt, wenn eine Unterbrechung bei einem anderen Bereich als dem Erfassungsabschnitt auftritt, und 13B ein Eigenschaftsdiagramm zeigt, wenn die Unterbrechung bei dem Erfassungsabschnitt auftritt.
Nachstehend ist ein Überblick über ein Teilchenerfassungselement 10 und ein Gassensor 1 mit dem Teilchenerfassungselement 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Das Teilchenerfassungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird bei dem Gassensor 1 verwendet, der beispielsweise die Konzentration von Feinstaub (FS), insbesondere von leitenden Teilchen, in einem Abgas erfasst, um eine bordeigene Diagnose (on-board diagnosis: OBD) von einem Dieselfeinstaubfilter (DPF) durchzuführen, das den in dem Abgas enthaltenen Feinstaub sammelt, das von einem Dieselverbrennungsmotor ausgestoßen wird, und um eine Regenerationssteuerung des DPF durchzuführen.
Das Teilchenerfassungselement 10 erfasst den Feinstaub in einem Messgas unter Verwendung einer Widerstandsmesseinrichtung 60, die extern bereitgestellt ist, um einen Erfassungswiderstand R_SEN zu messen, der sich in Abhängigkeit von der in einem Erfassungsabschnitt 11 angesammelten Feinstaubmenge ändert. Der Erfassungsabschnitt 11 ist durch ein Paar Erfassungselektroden 110 und 120 ausgebildet, die einander zugewandt mit einem vorbestimmten Raum dazwischen angeordnet sind. Die Erfassungselektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind jeweils in Kammform ausgebildet, wobei eine Vielzahl von Elektroden von jeweiligen Leitungsabschnitten 111 und 121 hervorstehen. Die Erfassungselektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind einander zugewandt angeordnet, und der Feinstaub sammelt sich zwischen den Elektroden 110 und 120 an.
Das erfindungsgemäße Teilchenerfassungselement 10 ist durch den Erfassungsabschnitt 11 und einen Erwärmungsabschnitt 14 konfiguriert. Der Gassensor 1 beinhaltet das Teilchenerfassungselement 10, die Widerstandsmesseinrichtung 60, eine Heizelementsteuereinrichtung 61 sowie eine elektronische Steuervorrichtung 70. Die Widerstandsmesseinrichtung 60 misst den in dem Erfassungsabschnitt 11 des Teilchenerfassungselementes 10 ausgebildeten Erfassungswiderstand R_SEN. Die Heizelementsteuerungseinrichtung 61 steuert die Stromversorgung des Erwärmungsabschnitts 14 zum Erwärmen des Erfassungsabschnitts 11 auf eine vorbestimmte Temperatur, und dadurch die Stabilisierung des Erfassungswiderstands R_SEN, sowie das Entfernen durch Erwärmung des in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelten Feinstaubs. Die elektronische Steuervorrichtung 70 führt eine Unterbrechungsbeurteilungssteuerung, die nachstehend beschrieben ist, und dergleichen in Abhängigkeit von einer Ausgangsspannung V_OUT der Widerstandsmesseinrichtung 60 aus.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft des Teilchenerfassungselementes 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, dass gemäß 1B als Unterbrechungserfassungseinrichtung ein Unterbrechungserfassungswiderstand 13 auf einer der Widerstandsmesseinrichtung 60 gegenüberliegenden Seite derart bereitgestellt ist, dass die Erfassungselektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 mit dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 mit einem vorbestimmten Versatzwiderstandswert R_OFFSET dazwischen elektrisch verbunden sind, und zwar so, dass sie parallel zum Erfassungswiderstand R_SEN geschaltet sind.
Als Ergebnis dieser Konfiguration kann eine Totzeit durch den Gesamtwiderstand R_SUM (= R_OFFSET·R_SEN/(R_OFFSET + R_SEN)), der durch Kombination aus dem Versatzwiderstand R_OFFSET des Unterbrechungserfassungswiderstands 13 und dem reduzierten Erfassungswiderstand R_SEN erhalten wird, sowie den auf die Erfassungsgrenze der Widerstandsmesseinrichtung 60 oder darüber hinaus erhöhten Strom eliminiert werden, der durch das Teilchenerfassungselement 10 fließt, wenn die gemäß dem Gesamtwiderstand R_SUM abfallende Ausgangsspannung V_OUT durch einen als die Widerstandsmesseinrichtung 60 bereitgestellten Spannungsteilerwiderstand R₁ erfasst wird. Wenn der Feinstaub sich in dem Erfassungsabschnitt 11 ansammelt, und der Erfassungsabschnitt 11 gesättigt wird, wird der Erfassungswiderstand R_SEN bedeutend kleiner als der Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET, und die Energieversorgungsspannung V_CC kann als die anteilige Ausgangsspannung V_OUT gemäß dem Gesamtwiderstand R_SUM aus dem Erfassungswiderstand R_SEN und dem Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET sowie dem Spannungsteilerwiderstand R₁ erfasst werden. Wenn der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub durch Verbrennung entfernt wird, wird der Erfassungswiderstand R_SEN bedeutend größer als der Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET, und die Energieversorgungsspannung V_CC kann als die anteilige Ausgangsspannung V_OUT gemäß dem Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET und dem Spannungsteilerwiderstand R₁ erfasst werden.
Ferner sind gemäß 1C die Leitungspfade (111 bis 117 und 121 bis 127), welche den Erfassungsabschnitt 11 und die Widerstandsmesseinrichtung 60 verbinden, mit dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 dazwischen in Reihe geschaltet. Wenn in einem der Leitungspfade (111 bis 117 und 121 bis 127) eine Unterbrechung auftritt, werden die mit Strom versorgten Pfade durch den unterbrochenen Bereich blockiert, und die Leitfähigkeit der Widerstandsmesseinrichtung 60 geht verloren, unmittelbar nachdem der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub durch Verbrennung entfernt ist. Daher kann die Unterbrechung leicht erfasst werden, und eine Reaktion zur Lösung der Anomalie kann erfolgen, wie etwa das prompte Auslösen einer Warnung bezüglich der Anomalie.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Unterbrechung der Erfassungselektroden 110 und 120 selbst nicht erfasst werden, obwohl eine Unterbrechung in den Leitungspfaden zur Verbindung des Erfassungsabschnitts 11 und der Widerstandsmesseinrichtung 60 erfasst werden kann.
Die elektronische Steuervorrichtung 70 bestimmt die Feinstaubmenge innerhalb des gemessenen Gases basierend auf der durch die Widerstandsmesseinrichtung 60 erfasste Ausgabespannung V_OUT, und rückkoppelt die bestimmte Menge an die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors. Zudem entscheidet die elektronische Steuervorrichtung 70 die Stromversorgungsbedingungen für das Heizelement 104 durch das Entscheiden über Erfassungsbedingungen des Teilchenerfassungselementes 10 und Beurteilen, ob eine Regeneration des Teilchenerfassungselementes 10 erforderlich ist, basierend auf der Feinstaubmenge. Zudem beurteilt die elektronische Steuervorrichtung 70, ob eine Unterbrechung in den Leitungspfaden zur Verbindung des Teilchenerfassungselementes 10 und der Widerstandsmesseinrichtung 60 in Verbindung mit einer Unterbrechungsbeurteilungseinrichtung, die nachstehend beschrieben ist, aufgetreten ist.
Im Einzelnen ist der Erfassungsabschnitt 11 durch ein elektrisch isoliertes wärmebeständiges Substrat 100, das aus Erfassungselektrode 110 und Erfassungselektrode 120 gebildete und in einem vorbestimmten Abstand auf dem elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrat 100 bereitgestellte Elektrodenpaar, sowie den Unterbrechungserfassungswiderstand 13 konfiguriert, welcher erfindungsgemäß als Unterbrechungserfassungseinrichtung zur Verbindung der Erfassungselektrode 110 und der Erfassungselektrode 120 bereitgestellt ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Erfassungselektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 mit den jeweiligen Leitungsabschnitten 111 und 121 verbunden, welche die Leitung mit der externen Widerstandsmesseinrichtung 60 verwirklichen. Die Erfassungselektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind jeweils kammförmig ausgebildet, so dass eine Vielzahl von Erfassungselektroden 110 und eine Vielzahl von Erfassungselektroden 120 abwechselnd einander zugewandt sind.
Ferner sind Anschlussabschnitte 112 und 122 jeweils auf den Endabschnitten der Leitungsabschnitte 111 und 121 auf der Ausgangsseite ausgebildet, und mit der externen Widerstandsmesseinrichtung 60 mit Verbindungsstücken 115, 116, 125 und 126 und Leitungen 117 und 127 dazwischen verbunden.
Der Unterbrechungserfassungswiderstand 13 mit einem vorbestimmten Widerstandswert R_OFFSET, der parallel zu dem durch den zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 angesammelten Feinstaub ausgebildeten Erfassungswiderstand R_SEN angeordnet ist, und der sowohl als Totzeiteliminierungseinrichtung als auch als Unterbrechungserfassungseinrichtung dient, ist mit den Endabschnitten der Leitungsabschnitte 111 und 112 auf der dem Ausgang gegenüberliegenden Seite mit Unterbrechungserfassungswiderstandsleitungsabschnitten 113 und 123 und Unterbrechungserfassungswiderstandselektrodenabschnitten 114 und 124 dazwischen verbunden.
Zur Sicherstellung der elektrischen Isolation zwischen dem Feinstaub und dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13, den Unterbrechungserfassungswiderstandsleitungsabschnitten 113 und 123 und den Unterbrechungserfassungswiderstandelektrodenabschnitten 114 und 124, wenn die Feinstaubteilchen sich so ansammeln, dass sie den Unterbrechungserfassungswiderstand 13 überbrücken und die Leitungsabschnitte 112 und 121 kurzschließen, wird eine isolierende wärmebeständige Schutzschicht 150 unter Verwendung eines elektrisch isolierten wärmebeständigen Materials zur Bedeckung der Oberflächen des Unterbrechungserfassungswiderstands 13, der Unterbrechungserfassungswiderstandsleitungsabschnitte 113 und 123 und der Unterbrechungserfassungswiderstandselektrodenabschnitte 114 und 124 ausgebildet.
Der Erwärmungsabschnitt 14 wird durch ein Heizelement 141, ein Paar Heizelementzuleitungen 142a und 142b, Heizelementanschlussabschnitte 144a und 144b, ein elektrisch isoliertes wärmebeständiges Substrat 140, Durchverbindungselektroden 143a und 143b, Stromversorgungsleitungen 145a und 145b sowie eine isolierende wärmebeständige Schutzschicht 150 konfiguriert. Das Heizelement 141 erzeugt Wärme, indem es mit Strom versorgt wird. Das Paar Heizelementzuleitungsabschnitte 142a und 142b verbinden das Heizelement 141 und die Stromversorgungssteuervorrichtung 61. Die Durchverbindungselektroden 143a und 143b stellen eine Verbindung durch das isolierende wärmebeständige Substrat 140 bereit, und bilden eine elektrische Verbindung der Heizelementzuleitungen 142a und 142b mit den Heizelementanschlussabschnitten 144a und 144b. Die isolierende wärmebeständige Schutzschicht 150 schützt Bereiche, und insbesondere den Unterbrechungserfassungswiderstand 13, ausschließlich des Erfassungsabschnitts 11.
Die elektrisch isolierte wärmebeständigen Substrate 100 und 140 sind jeweils durch ein bekanntes Verfahren, wie etwa ein Rakelklingenverfahren, ein Druckgussverfahren, ein kaltisostatisches Pressverfahren (CIP) oder ein heißisostatisches Pressverfahren (HIP) unter Verwendung eines elektrisch isolierten wärmebeständigen Materials, wie etwa Aluminiumoxid, in ebener Form ausgebildet.
Die Erfassungselektroden 110 und 120, die Zuleitungsabschnitte 111 und 121, die Anschlussabschnitte 112 und 122, die Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113 und 123, die Unterbrechungserfassungswiderstandsanschlussabschnitte 114 und 124, das Heizelement 141, die Heizelementzuleitungsabschnitte 142a und 142b und die Heizelementanschlussabschnitte 144a und 144b sind auf den jeweiligen elektrisch isolierten wärmebeständigen Substraten 100 und 140 durch ein bekanntes Verfahren, wie etwa ein Dickschichtdruckverfahren, ein Plattierungsverfahren oder ein Abscheidungsverfahren, ausgebildet.
Bei dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 wird ein Widerstand aus einer einfachen Substanz oder einem Komplex einschließlich zumindest eines Metalls, eines Metalloxids, einer Metallverbindung, Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung verwendet.
Nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel angegeben, bei dem ein als eine Dickschicht auf der Oberfläche des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates 100 ausgebildeter Widerstand verwendet wird.
Zudem wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Unterbrechungserfassungswiderstand 13 in einer Position ausgebildet, die zur Erwärmung durch den Erwärmungsabschnitt 14 befähigt ist, und eine Stabilisierung des Versatzwiderstands R_OFFSET wird erzielt.
Der Erfassungswiderstand R_SEN, der durch den in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelten Feinstaub ausgebildet wird, beträgt mehrere Hundert Ω bis 1 kΩ während der Feinstaubansammlung, und verändert sich auf 1 MΩ oder mehr während der Feinstaubverbrennung.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Versatzwiderstand R_OFFSET des Unterbrechungserfassungswiderstands 13 auf 16 kΩ bis 36 kΩ eingestellt, und der Spannungsteilerwiderstand R₁ der Ausgangsspannungserfassungseinrichtung 60 wird auf 4 kΩ bis 24 kΩ eingestellt. Die Energieversorgungsspannung V_CC wird auf 5,0 V eingestellt.
Wenn eine Maximalmenge an Feinstaub in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelt ist, wird der Erfassungswiderstand R_SEN bedeutend kleiner als der Versatzwiderstand R_OFFSET. Daher wird die Ausgangsspannung V_OUT durch den Erfassungswiderstand R_SEN und den Spannungsteilerwiderstand R₁ bestimmt, und wird 4,0 V bis 4,8 V. Der Dynamikbereich wird effektiv verwendet, und der Bereich ermöglicht eine stabile Erfassung, selbst falls Variationen in der Ausgabe in Betracht gezogen werden.
Wenn der Spannungsteilerwiderstand R₁ 24 kΩ oder mehr beträgt, erweitert sich die Ausgabevariation. Wenn der Spannungsteilerwiderstand R₁ 4 kΩ oder weniger beträgt, verringert sich der Dynamikbereich, und die Erfassungsgenauigkeit wird schlecht.
In einem Zustand, bei dem der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub durch Verbrennung entfernt wird, ist der Erfassungswiderstand R_SEN bedeutend größer als der Versatzwiderstand R_OFFSET. Daher wird die Ausgangsspannung V_OUT durch den Versatzwiderstand R_OFFSET und den Spannungsteilerwiderstand R₁ bestimmt, und wird 0,5 V bis 1,0 V.
Wenn der Versatzwiderstand R_OFFSET 36 kΩ oder mehr beträgt, verringert sich der Dynamikbereich, und die Erfassungsgenauigkeit wird schlecht. Wenn der Versatzwiderstand R_OFFSET 16 kΩ oder weniger beträgt, wird der Versatzwert klein, und eine Unterscheidung zwischen einem Normalzustand und einem unterbrochenen Zustand wird schwierig.
Ein Abwandlungsbeispiel 10a für das Teilchenerfassungselement nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Unterbrechungserfassungswiderstand 13 in einer Position bereitgestellt, die durch den Erwärmungsabschnitt 14 erwärmt werden kann, wodurch eine Stabilisierung des Versatzwiderstandes R_OFFSET erzielt werden kann. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erstrecken sich jedoch Unterbrechungserfassungswiderstandzuleitungsabschnitte 113a und 113b, die von der dem Ausgang gegenüberliegenden Seite der Zuleitungsabschnitte 111 und 121 herausgeführt sind, zu der Ausgangsseite des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates 100. Unterbrechungserfassungswiderstandsanschlussabschnitte 114a und 124a sind in thermisch stabilen Positionen bereitgestellt, die keine Wärme von dem Messgas oder Wärme von dem Erwärmungsabschnitt 14 empfangen. Ein Unterbrechungserfassungswiderstand 13a aus einem fixierten Widerstand, wie etwa einem Chipwiderstand, wird angebracht, und eine Stabilisierung des Versatzwiderstandes R_OFFSET wird erzielt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Thermistor mit wärmeempfindlichen Eigenschaften als der Unterbrechungserfassungswiderstand 13a verwendet werden, und der Thermistor kann in einer Position nahe dem Erfassungsabschnitt 11 bereitgestellt sein, wobei er durch den Erwärmungsabschnitt 14 erwärmt werden kann.
Als Folge einer derartigen Konfiguration kann zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Wirkungen die Temperatur des Erfassungsabschnitts 11 erfasst werden. Das Temperaturmanagement des Erfassungsabschnitts 11 während der Teilchenerfassung und die Temperatursteuerung des Erwärmungsabschnitts 14 können genauer verwirklicht werden, und ein Gassensor mit noch höherer Zuverlässigkeit kann verwirklicht werden.
Nachstehend ist eine spezifische Konfiguration des Gassensors 1 unter Verwendung des Teilchenerfassungselementes 10a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Der Gassensor 1 ist durch einen grobzylindrischen Isolator 21, ein Gehäuse 20, einen Abdeckungskörper 30, sowie ein grobzylindrisches Gehäuse 22 konfiguriert. Das Teilchenerfassungselement 10a ist innerhalb des Isolators 21 eingefügt und gehalten. Das Gehäuse 20 ist an einer Wand eines Flusswegs 40 fixiert, entlang dem das Messgas fließt, und hält den Isolator 21 sowie den Erfassungsabschnitt 11 des Teilchenerfassungselementes 10a an einer vorbestimmten Position innerhalb eines Messgasflusswegs 400. Der Abdeckungskörper 300 ist auf der Seite des spitzen Endes des Gehäuses 20 bereitgestellt und schützt den Erfassungsabschnitt 11 des Teilchenerfassungselementes 10a. Das Gehäuse 22, das auf der Seite am des Bodenendes des Gehäuses 20 bereitgestellt ist, ist mit den Anschlussabschnitten 112 und 122 des Teilchenerfassungselementes 10a mit den Verbindungsteilen 115, 116, 125 und 126 dazwischen verbunden. Das Gehäuse 22 fixiert ein Paar Signalleitungen 117 und 127 sowie ein Paar Zuleitungen 147a und 147b auf der Seite des Bodenendes mit einem Versiegelungselement 220 dazwischen. Das Paar Signalleitungen 117 und 127 überträgt den Erfassungswiderstand R_SEN zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120, der sich in Abhängigkeit von der angesammelten Feinstaubmenge in dem Erfassungsabschnitt 11 ändert, an die externe Widerstandsmesseinrichtung 60. Das Paar Zuleitungen 147a und 147b ist mit dem innerhalb des Teilchenerfassungselementes 10 eingebetteten Heizelement 141 mit den Heizelementanschlussabschnitten 144a und 144b sowie den Verbindungsteilen 146a und 146b dazwischen verbunden.
In einem Abdeckungsgrundkörper 300 des Abdeckungskörpers 30 sind Messgaseinlass- und -Auslasslöcher 301 und 302, die zum Einführen des den Feinstaub enthaltenden Messgases in den Erfassungsabschnitt 11 verwendet werden, entsprechend ausgebildet, und ein auf der Seite des Bodenendes bereitgestellter Flanschabschnitt 303 ist durch Eindrücken in einen Klemmverbindungsabschnitt 203 fixiert, der auf der Seite des spitzen Endes des Gehäuses 20 bereitgestellt ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Unterbrechungserfassungswiderstand 13a in einer Position innerhalb des Isolators 21 bereitgestellt, wo die Temperatur vergleichweise stabil ist.
Als Messgas wird das den Feinstaubfluss innerhalb des Messgasfließwegs 400 enthaltende Dieselabgas von den Messgaseinlass- und -Auslasslöchern 301 und 302 eingeführt, die in dem Abdeckkörper 30 bereitgestellt sind. Das Dieselabgas kommt in Kontakt mit der Oberfläche des Erfassungsabschnitts 11 des Teilchenerfassungselementes 10, das den Erfassungsabschnitt 11 dem Messgas aussetzt. Der Feinstaub sammelt sich zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 an, und der Erfassungswiderstand R_SEN wird zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 ausgebildet. Die außerhalb des Gassensors 1 bereitgestellte Widerstandsmesseinrichtung 60 erfasst den Gesamtwiderstand aus dem Erfassungswiderstand R_SEN und dem Versatzwiderstand R_OFFSET, was eine Berechnung der angesammelten Feinstaubmenge ermöglicht.
Ein weiteres abgewandeltes Beispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf 4 als ein Teilchenerfassungselement 10b gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, bei dem die Endabschnitte der Zuleitungsabschnitte 111 und 112 auf der Seite gegenüber der Widerstandsmesseinrichtung 60 sowie der Unterbrechungserfassungswiderstand 13 mit den Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitten 113 und 123 dazwischen verbunden sind, wobei die Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113 und 123 auf dem elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrat 100 durch ein Verfahren, wie etwa einem Dickschichtdruckvorgang, ausgebildet sind. Bei dem Teilchenerfassungselement 10b nach dem vorliegenden Beispiel wird jedoch ein auf der Ausgangsseite des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates 100 angeordneter, Zuleitungen beinhaltender fixierter Widerstand als Unterbrechungserfassungswiderstand 13b verwendet, und der Unterbrechungserfassungswiderstand 13b wird mit den Endabschnitten auf der Seite gegenüber der Widerstandsmesseinrichtung 60 der Zuleitungsabschnitte 111 und 121 mit den Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitten 113b und 123b dazwischen verbunden. Als Folge einer derartigen Konfiguration kann im Vergleich zu einer Ausbildung der Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113 und 123 durch Dickschichten der interne Widerstand der Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113b und 123b reduziert werden. Zusätzlich zu einer Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit kann die Beständigkeit der Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113b und 123b verbessert werden.
Ein weiteres Abwandlungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf 5 als Teilchenerfassungselement 10c gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Gemäß 5 kann ein eine Zuleitung beinhaltender fixierter Widerstand als Unterbrechungserfassungswiderstand 13c verwendet werden. Ferner können Unterbrechungserfassungswiderstandszuführungsabschnitte 113c und 123c gebogen sein, und der Unterbrechungserfassungswiderstand 13c kann in Kontakt mit dem Erwärmungsabschnitt 14 auf der Rückoberflächenseite des Erfassungsabschnitts 11 angeordnet sein.
Als Folge einer derartigen Konfiguration kann der Unterbrechungserfassungswiderstand 13c durch das Heizelement 141 erwärmt werden und thermisch stabilisiert sein. Zudem resultiert aus der Anordnung des Unterbrechungserfassungswiderstands 13c auf der Rückoberflächenseite des Erfassungsabschnitts 11, dass durch die Ansammlung des Feinstaubs nur schwer ein leitender Pfad ausgebildet wird, weil die Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113c und 123c sowie das elektrisch isolierte wärmebeständige Substrat 100 in drei Dimensionen separiert sind. Die Wirkung auf den Unterbrechungserfassungswiderstand 13c kann eliminiert werden.
Ein weiteres Abwandlungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf 6 als Teilchenerfassungselement 10d gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, bei dem der Unterbrechungserfassungswiderstand 13 auf der Oberfläche des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates 10 ausgebildet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jedoch ein elektrisch isoliertes wärmebeständiges Substrat 100d zwischen dem Erfassungsabschnitt 11 und dem Erwärmungsabschnitt 14 eingefügt sein. Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitte 113d und 123d und ein Unterbrechungserfassungswiderstand 13d können auf der Oberfläche des elektrisch isolierten wärmebeständigen Substrates 100 ausgebildet und mit den Endabschnitten auf der zu der Erfassung gegenüberliegenden Seite der Zuleitungsabschnitte 111 und 121 durch die Durchverbindungselektroden 118 und 128 verbunden sein, die durch das elektrisch isolierte wärmebeständige Substrat 100d hindurchpassieren.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, bei dem der Unterbrechungserfassungswiderstand 13d in einem nicht erwärmten Bereich bereitgestellt wird. Der Unterbrechungserfassungswiderstand 13d kann jedoch an einer Position bereitgestellt werden, an der er durch das Heizelement 141 erwärmt werden kann.
Ein Überblick für einen Gassensor 1e unter Verwendung eines Teilchenerfassungselementes 10e gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, bei dem das Paar Erfassungselektroden 110 und 120 zur Konfiguration des Erfassungsabschnitts 11 jeweils kammförmig ausgebildet sind, wobei eine Vielzahl von Erfassungselektroden 110 und 120 sich von den Zuleitungsabschnitten 111 und 121 in linearer Weise erstrecken, und die Vielzahl von Erfassungselektroden 110 und 120 ist einander zugewandt. Gemäß dem Vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch ein Abschnitt des mit den Zuleitungsabschnitten 111 und 121 Verbundenen Paars von Erfassungselektroden 110e und 120e in der Form einer Kurbelwelle gebogen, und die gebogenen Abschnitte sind mit einem Vorbestimmten Abstand einander zugewandt. Die Endabschnitte der Erfassungselektroden 110e und 120e auf der Seite gegenüber dem Widerstandsmessabschnitt 60 sind mit dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 mit Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitten 113e und 123e dazwischen verbunden.
Als Folge einer derartigen Konfiguration nimmt gemäß 7B der Gesamtwiderstand ab, weil der in einem Erfassungsabschnitt 11e durch die Ansammlung des Feinstaubs ausgebildete Erfassungswiderstand R_SEN und der Versatzwiderstand R_OFFSET des Unterbrechungserfassungswiderstands 13 parallel geschaltet sind. Wenn die gegenüber der Energieversorgungsspannung V_CC aufgrund des Gesamtwiderstands verminderte Ausgangsspannung V_OUT durch den als Widerstandsmesseinrichtung 60 bereitgestellten Spannungsteilerwiderstand R₁ erfasst wird, wird der zu dem Teilchenerfassungselement 10e fließende Strom auf einer Erfassungsgrenze des Spannungsteilerwiderstand R₁ oder darüber hinaus erhöht, wodurch die Totzeit eliminiert wird.
Zudem sind gemäß 7C alle Leitungspfade (111, 112, 113e, 114 bis 117, 121, 122, 123e, 124 bis 127) zur Verbindung des Erfassungsabschnitts 11e einschließlich der Erfassungselektroden 110e und 120e sowie die Widerstandsmesseinrichtung 60 mit dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 dazwischen in Reihe geschaltet. Wenn eine Unterbrechung in einer der Erfassungselektroden 110e und 120e sowie den Leitungspfaden (111, 112, 113e, 114 bis 117, 121, 122, 123e, 124 bis 127) auftritt, kann daher die Unterbrechung sicher erfasst werden, selbst wenn die Unterbrechung nicht nur in den Leitungspfaden sondern in einem beliebigen Bereich des Erfassungsabschnitts 11 auftritt, weil die Ausgangsspannung V_OUT Null wird, unmittelbar nachdem der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub durch Verbrennung entfernt ist. Zur Beseitigung der Anomalie kann eine Reaktion erfolgen, wie etwa das prompte Veranlassen einer Warnung bezüglich der Anomalie.
Obwohl gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfasst werden kann, ob eine Unterbrechung in den Leitungspfaden auftrat, kann die Unterbrechung der Erfassungselektroden 110 und 120 selbst nicht erfasst werden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann jedoch ebenfalls die Unterbrechung der Erfassungselektroden 110 und 120 selbst erfasst werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel beschrieben, bei dem der Spannungsteilerwiderstand R₁ zwischen dem Erfassungswiderstand R_SEN und Masse bereitgestellt ist. Es kann jedoch ebenfalls eine Konfiguration verwendet werden, bei der der Spannungsteilerwiderstand R₁ zwischen der Energieversorgungsspannung V_CC und dem Erfassungswiderstand R_SEN bereitgestellt ist.
Abwandlungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf 8 als Teilchenerfassungselemente 10f und 10g gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Auf eine zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnliche Weise kann auch gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anordnungsposition der Unterbrechungserfassungswiderstände 13f und 13g entsprechend geändert werden, solange die Anordnungspositionen der Unterbrechungserfassungswiderstände 13f und 13g sich auf der dem elektrischen Ausgang gegenüberliegenden Seite der Erfassungsabschnitte 10f und log mit den Unterbrechungserfassungswiderstandszuleitungsabschnitten 113 und 123 dazwischen befinden.
Ein Abwandlungsbeispiel für den Erfassungsabschnitt 11 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Gemäß dem vorstehend beschrieben Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel mit einer Konfiguration beschrieben, bei der die Energieversorgungsspannung V_CC durch den Gesamtwiderstand R_SUM aus dem Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET und dem Erfassungswiderstand R_SEN sowie dem Spannungsteilerwiderstand R₁ geteilt wird, und die Ausgangsspannung V_OUT erfasst wird. Gemäß 9 kann jedoch eine Konfiguration verwendet werden, bei der eine Konstantstromquelle 60h bereitgestellt ist, und die Ausgangsspannung V_OUT durch einen Operationsverstärker 601 erfasst wird. Alternativ kann gemäß 9 eine Konfiguration verwendet werden, bei der eine Konstantstromquelle 80 verwendet wird, und die Ausgangsspannung V_OUT durch einen Operationsverstärker 601i erfasst wird.
Diese Ausführungsbeispiele können außerdem ebenso gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet werden.
Nachstehend ist ein Verfahren zur Unterbrechungserfassung bei dem Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 10 grundlegend beschrieben.
10A zeigt das einfachste Unterbrechungserfassungsverfahren. Bei Schritt S100 wird bei einer Ausgabespannungsschwellenwertbeurteilungseinrichtung ein Vergleich zwischen der Ausgabespannung V_OUT und einem vorbestimmten Schwellenwert V_REF durchgeführt. Wenn beispielsweise der Schwellenwert V_REF auf einen Wert nahe bei Null Volt eingestellt ist, erfolgt bei Schritt S100 eine Beurteilung ”Ja”, wenn die Ausgangsspannung V_OUT so nahe bei Null Volt wie möglich ist, und es erfolgt eine Beurteilung, dass eine Unterbrechung erfolgt ist. Bei Schritt S110 erfolgt eine Beurteilung ”Unterbrechung”. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT auf dem vorbestimmten Schwellenwert V_REF oder darüberliegt, erfolgt die Beurteilung, dass eine Unterbrechung auftrat, nicht. Dabei kann die offensichtliche Beurteilung erfolgen, dass sich der Gassensor 1 im Normalzustand befindet. Daher erfolgt die Beurteilung ”Nein”, und eine vorläufige Beurteilung ”normal” kann erfolgen. Damit jedoch eine genauere Beurteilung ausgeführt werden kann, schreitet der Ablauf zu dem nachstehend beschriebenen Schritt S200 und einer Normalzustandbeurteilungseinrichtung fort. Wenn gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Unterbrechung auftrat, wird zumindest durch den Unterbrechungserfassungswiderstand zumindest die Leitfähigkeit sichergestellt. Daher wird jederzeit die Ausgangsspannung V_OUT erzeugt. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT weniger als der vorbestimmte Schwellenwert V_REF unter Einbeziehung etwaiger Fehler beträgt, kann eine Beurteilung erfolgen, dass definitiv eine Unterbrechung aufgetreten ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Beurteilung, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist, wenn die Ausgangsspannung V_OUT niedriger als der vorbestimmte Schwellenwert V_REF ist. Es kann jedoch eine Konfiguration verwendet werden, bei der die Beurteilung, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist, dann erfolgt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT höher als der vorbestimmte Schwellenwert V_REF ist. Ob die Beurteilung, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist, dann erfolgt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT niedriger als der vorbestimmte Schwellenwert V_REF ist, oder dann, wenn die Ausgangsspannung V_OUT höher als der vorbestimmte Schwellenwert V_REF ist, kann entsprechend verändert werden, basierend darauf, ob die Widerstandsmesseinrichtung 60 auf der Hochpotentialseite oder der Niederpotentialseite des Erfassungswiderstands R_SEN angeordnet ist, ob die Ausgangsspannung V_OUT eine invertierte Ausgabe oder eine nicht invertierte Ausgabe ist, ob der Spannungsteilerwiderstand R₁ zur Ausbildung des Schwellenwerts V_REF auf der Hochpotentialseite oder der Niederpotentialseite des Erfassungswiderstands R_SEN bereitgestellt ist, und dergleichen.
10 zeigt ein Flussdiagramm für ein Beurteilungsverfahren zur Beurteilung, ob eine Unterbrechung sicher aufgetreten ist.
Bei einem Feinstoffverbrennungsvorgang wird bei Schritt S200 der Erwärmungsabschnitt 14 zum Verbrennen des in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelten Feinstaubs mit Strom versorgt, und der Feinstaub wird durch Verbrennung entfernt.
Bei einer Feinstaubverbrennungsabschlussbeurteilungseinrichtung wird bei Schritt S210 beurteilt, ob das Verbrennen des Feinstaubs abgeschlossen worden ist. Im Einzelnen wird beurteilt, ob die Verbrennung abgeschlossen wurde, indem die Brenndauer vom Beginn der Feinstaubverbrennung genommen wird, eine Erfassung erfolgt, ob der Erfassungswiderstand R_SEN ausgegeben wird oder nicht, oder eine Kombination aus beidem.
Wenn bei Schritt S210 die Beurteilung erfolgt, dass die Verbrennung nicht abgeschlossen worden ist, erfolgt die Beurteilung ”Nein”. Der Ablauf kehrt zu dem Feinstaubverbrennungsvorgang bei Schritt S200 zurück, und wiederholt den Vorgang, bis der Feinstaub vollständig verbrannt ist.
Wenn der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub vollständig verbrannt ist, erfolgt bei der Verbrennungsabschlussbeurteilungseinrichtung bei Schritt S210 eine Beurteilung ”Ja”, und der Ablauf schreitet zu einer Schwellenwertbeurteilungseinrichtung bei Schritt S220 fort.
Bei der Schwellenwertbeurteilungseinrichtung wird bei Schritt S220 beurteilt, ob die Ausgangsspannung V_OUT kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert V_REF ist. Wenn eine Unterbrechung auftrat, ist die Ausgangsspannung V_OUT Null, oder gleich einem Wert, der so nahe bei Null wie möglich ist. Bei Schritt S220 erfolgt eine Beurteilung ”Ja”, und eine Beurteilung ”Unterbrechung” wird gegeben.
Wenn der Feinstaub nicht vollständig in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelt ist, und die Ausgangsspannung V_OUT gleich einem vorbestimmten Schwellenwert V_REF (wie etwa eine durch den Unterbrechungserfassungswiderstand R_OFFSET und den Spannungsteilerwiderstand R₁ geteilte Versatzspannung V_OFFSET) oder darüber legt, erfolgt bei Schritt S220 eine Beurteilung „Nein”, und der Ablauf schreitet zu der „normalen” Beurteilung bei Schritt S230 fort.
Ein weiteres spezifisches Beispiel für das Unterbrechungserfassungsverfahren des erfindungsgemäßen Gassensors 1 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Bei der in einer elektronischen Steuervorrichtung 70 bereitgestellten Unterbrechungserfassungseinrichtung beginnt eine Beurteilung darüber, ob eine Unterbrechung bei dem Gassensor 1 aufgetreten ist, in Verbindung mit dem in 11 gezeigten Flussdiagramm. Das vorliegende Unterbrechungserfassungsverfahren ist die Unterbrechungserfassungseinrichtung und gleichzeitig eine Regenerationseinrichtung für den Gassensor 1.
Bei der ersten Ausgabebeurteilungseinrichtung wird bei Schritt S300 beurteilt, ob die Ausgangsspannung V_OUT des Teilchenerfassungselementes 10 vorhanden ist. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT größer als Null Volt ist, erfolgt eine Beurteilung „Ja”, und der Ablauf schreitet zu Schritt S310 fort. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT Null Volt beträgt, oder mit anderen Worten nicht ausgegeben wird, erfolgt eine Beurteilung „Nein”, und der Ablauf schreitet bei Schritt S370 zu einer Unterbrechungsbeurteilungseinrichtung fort.
Bei einer zweiten Ausgabebeurteilungseinrichtung wird bei Schritt S310 beurteilt, ob die Ausgangsspannung V_OUT größer als ein vorbestimmter Schwellenwert V_ref1 ist. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT der erste Schwellenwert V_ref1 oder niedriger ist, hat die in dem Erfassungsabschnitt 11 des Teilchenerfassungselementes 10 angesammelte Feinstaubmenge keinen Sättigungszustand erreicht. Weil die Feinstaubmenge erfasst werden kann, erfolgt bei Schritt S310 eine Beurteilung „Nein”. Die Schritte S300 und S310 werden wiederholt, bis die Menge des angesammelten Feinstaubs eine vorbestimmte Menge oder mehr erreicht. Wenn die Erfassungsspannung V_OUT höher als der erste Schwellenwert V_ref1 wird, erfolgt eine Beurteilung „Ja” bei Schritt S310.
Wenn die angesammelte Feinstaubmenge eine Sättigungsmenge annähert, und bei Schritt S310 eine Beurteilung „Ja” erfolgt, schreitet der Ablauf zu einem Teilchenverbrennungsvorgang bei Schritt S320 fort.
Bei dem Teilchenverbrennungsvorgang bei Schritt S320 beginnt eine Stromversorgung des Heizelementes 140, weil die in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaubmenge eine vorbestimmte Menge oder mehr ist, und der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub wird durch Verbrennung entfernt.
Wenn der Teilchenverbrennungsvorgang gestartet ist, wird die Ausgangsspannung V_OUT überwacht. Bei einer Einrichtung zur Beurteilung der vollständigen Teilchenverbrennung wird bei Schritt S330 beurteilt, ob die Verbrennung des Feinstaubs abgeschlossen worden ist, indem bei Schritt S330 die Ausgangsspannung V_OUT und ein zweiter Schwellenwert V_ref2 verglichen werden (V_OUT < V_ref2).
Bis der Erfassungswiderstand R_SEN zwischen den Erfassungselektroden 110 und 112 als Folge der Feinstaubverbrennung ansteigt, und die Ausgangsspannung V_OUT niedriger als der zweite Schwellenwert V_ref2 wird, erfolgt bei Schritt S330 eine Beurteilung „Nein”. Daher werden die Schritte S320 und S330 wiederholt, und die Stromversorgung des Heizelementes 140 zur Verbrennung des Feinstaubs wird fortgeführt.
Wenn die Ausgangsspannung V_OUT niedriger als der zweite Schwellenwert V_ref2 wird, so dass bei Schritt S330 eine Beurteilung „Ja” erfolgt, wird bei Schritt S340 ein Zeitnehmer „t” zur Bestätigung der Teilchenverbrennung gestartet.
Danach wird in einer Einrichtung zur Beurteilung der Bestätigung der Teilchenverbrennung bei Schritt S350 beurteilt, ob der Zeitnehmer t zur Bestätigung der Teilchenverbrennung einen vorbestimmten Schwellenwert t_ref überschritten hat.
Bis der Zeitnehmer t zur Bestätigung der Teilchenverbrennung den vorbestimmten Schwellenwert t_ref zählt, wird der Feinstaub sicher verbrannt, selbst wenn die Ausgangsspannung V_OUT den vorbestimmten Schwellenwert V_ref2 erreicht oder darunter fällt. Daher wird die Stromzufuhr zu dem Heizelement 140 fortgeführt.
Wenn die vorbestimmte Zeit (Schwellenwert t_ref) verstrichen ist, erfolgt bei Schritt S350 eine Beurteilung „Ja”, der Ablauf schreitet zu dem Teilchenverbrennungsstoppvorgang bei Schritt S360 fort, und die Stromzufuhr an das Heizelement 140 zur Feinstaubverbrennung wird beendet.
Danach erfolgt bei der Unterbrechungsbeurteilungseinrichtung bei Schritt S370 eine Beurteilung darüber, ob eine Unterbrechung aufgetreten ist, basierend darauf, ob die Ausgangsspannung V_OUT Null Volt beträgt.
Wenn die Ausgangsspannung V_OUT bei Schritt S370 Null Volt beträgt, obwohl der Feinstaub bei den Schritten S340 bis S360 sicher verbrannt worden ist, wird deutlich, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist. Daher erfolgt eine Beurteilung „Ja”, und bei Schritt S380 erfolgt eine Beurteilung „Unterbrechung”.
Wenn der Feinstaub bei Schritt S340 bis Schritt S360 sicher verbrannt worden ist, und die Ausgangsspannung V_OUT bei Schritt S370 ungleich Null Volt ist, wird deutlich, dass sich der Gassensor 1 in normalem Zustand befindet. Daher erfolgt eine Beurteilung „Nein”, und bei Schritt S390 erfolgt eine Beurteilung „Normal”.
Wenn bei Schritt S300 die Ausgangsspannung V_OUT Null Volt beträgt, trat eine Unterbrechung auf. Daher beträgt die Ausgangsspannung V_OUT bei Schritt S370 unvermeidlich Null Volt. Daher erfolgt eine Beurteilung „Ja”, und bei Schritt S380 erfolgt eine Beurteilung „Unterbrechung”.
Bei Schritt S380 und Schritt S390 wird das Beurteilungsergebnis bezüglich des Auftretens einer Unterbrechung durch eine diagnostische Ausgabe oder dergleichen nach außerhalb des Gassensors 1 übertragen, und die Beurteilung darüber, ob eine Unterbrechung aufgetreten ist, ist abgeschlossen.
Wenn als Folge der Feinstaubteilchenansammlung die Ausgangsspannung V_OUT bei Null Volt bleibt, wird die Unterbrechung in den Leitungspfaden außerhalb des Erfassungsabschnitts 11 lokalisiert. Wenn sich die Ausgangsspannung V_OUT in Abhängigkeit von der Ansammlung der Feinstaubteilchen ändert, und die Ausgangsspannung V_OUT nach Verbrennen der Feinstaubteilchen Null wird, kann eine Beurteilung erfolgen, dass die Unterbrechung in dem Erfassungsabschnitt 11 vorliegt. Daher kann bei der Beurteilung „Unterbrechung” bei Schritt S380 eine Beurteilung darüber erfolgen, ob sich die Unterbrechung in dem Erfassungsabschnitt 11 oder in den Leitungspfaden außerhalb des Erfassungsabschnitts 11 befindet, und die diagnostische Ausgabe kann separat durchgeführt werden.
Erfindungsgemäße Wirkungen sowie ein Vergleichsbeispiel sind nachstehend unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, wenn der erfindungsgemäße Gassensor 1 unter Verwendung eines Teilchenerfassungselementes 10 sich im Normalzustand befindet.
Änderungen bei der Ausgabe eines Gassensors unter Verwendung eines Teilchenerfassungselementes, das den erfindungsgemäßen Unterbrechungserfassungswiderstand 13 nicht beinhaltet, sind als Vergleichsbeispiel angegeben.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Feinstaub beginnt, sich zwischen einem Paar Erfassungselektroden anzusammeln, beträgt der Widerstandswert bei dem Vergleichsbeispiel etwa 1 MΩ bis 10 MΩ und ist extrem hoch. Daher überstreicht die Ausgangsspannung V_OUT hauptsächlich die Null-Volt-Linie, und es tritt eine Totzeit td auf, während der die Ausgangsspannung V_OUT nicht erfasst werden kann.
Daher kann während der Totzeit td nicht beurteilt werden, ob eine Unterbrechungsanomalie aufgetreten ist, selbst falls bei dem Gassensor 1 eine Unterbrechungsanomalie auftritt. Anomalien, wie etwa ein durch den Ausfall einer Abgasemissionssteuervorrichtung verursachtes Feinstaubleck, können nicht vermieden werden.
Wenn andererseits bei dem erfindungsgemäßen Gassensor 1 unter Verwendung des Teilchenerfassungselementes 10 mit dem Unterbrechungserfassungswiderstand 13 der durch den in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelten Feinstaub ausgebildete Erfassungswiderstand R_SEN zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 ausgebildet wird, wird der Versatzwiderstand R_OFFSET des Unterbrechungserfassungswiderstands 13 parallel zu dem Erfassungswiderstand R_SEN. Daher nimmt der Gesamtwiderstand ab, und die Spannung V_OUT kann selbst in den frühen Stufen der Feinstaubansammlung erfasst werden.
Wenn die angesammelte Feinstaubmenge klein ist, ist der zwischen den Erfassungselektroden 110 und 120 ausgebildete Erfassungswiderstand R_SEN groß. Die Ausgangsspannung V_OUT wird durch den Versatzwiderstand R_OFFSET und den Spannungsteilerwiderstand R₁ bestimmt, und wird nahezu gleich der Versatzspannung V_OFFSET.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Unterbrechungsbeurteilungseinrichtung wird zudem die Verbrennung des Feinstaubs begonnen, wenn die Ansammlung des Feinstaubs fortschreitet, und die Ausgangsspannung V_OUT die erste Schwellenwertspannung V_ref1 erreicht, oder darüber hinaus geht. Das Verbrennen des Feinstaubs wird für eine vorbestimmte Zeitdauer T_ref von dem Zeitpunkt fortgeführt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT einen zweiten Schwellenwert V_ref2 in der Nähe der Versatzspannung V_OFFSET oder darunter erreicht. In einem Zustand, in dem der Feinstaub sicher entfernt worden ist, wird beurteilt, ob eine Unterbrechung aufgetreten ist. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT größer gleich der Versatzspannung V_OFFSET von Null Volt ist, nachdem die Feinstaubverbrennung beendet ist, erfolgt eine Beurteilung „Normal”. Der Feinstaub wird angesammelt, und das Verbrennen des Feinstaubs wird erneut begonnen, wenn die Ausgangsspannung V_OUT höher als die erste Schwellenwertspannung V_ref1 wird.
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf 13 die Wirkungen beschrieben, die erzielt werden, wenn eine Unterbrechungsanomalie aufgetreten ist.
In einem normalen Zustand zeigt die Ausgangsspannung V_OUT gemäß 13A durch die Ansammlung des Feinstaubs an, und erreicht nicht die Versatzspannung V_OFFSET oder fällt darunter, selbst wenn der Feinstaub verbrannt wird. Wenn eine Unterbrechung in den Leitungspfaden außerhalb des Erfassungsabschnitts 11 auftritt, während der Feinstaub in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelt wird, bleibt die Ausgangsspannung V_OUT bei Null Volt, ungeachtet dessen, ob der Feinstaub verbrannt wird. Daher wird das Auftreten einer Unterbrechung leicht erfasst.
Unterbrechungen wie diese können unter Verwendung eines beliebigen Teilchenerfassungselementes 10, 10a, 10b, 10c und 10d gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und des Teilchenerfassungselementes 10e, 10f und 10g gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfasst werden.
Wenn gemäß 13B die Unterbrechung in dem Erfassungsabschnitt 11e aufgetreten ist, wird während der Ansammlung des Feinstaubs die Ausgangsspannung V_OUT nicht Null, selbst wenn die Unterbrechung auftritt, wenn ein leitender Pfad durch die Ansammlung des Feinstaubs in dem unterbrochenen Bereich ausgebildet wird. In diesem Zustand wird nicht erfasst, ob die Unterbrechung aufgetreten ist, und der Gassensor 1 scheint normal zu funktionieren.
Wenn die Feinstaubansammlung fortschreitet, und die Ausgangsspannung V_OUT den ersten Schwellenwert V_ref1 erreicht, oder darüber hinausgeht, beginnt die Verbrennung des Feinstaubs. Wenn der in dem unterbrochenen Bereich angesammelte Feinstaub entfernt ist, steigt der Widerstandswert plötzlich an, selbst wenn der Feinstaub in dem Erfassungsabschnitt 11 aus dem unterbrochenen Bereich verbleibt, und die Ausgangsspannung V_OUT erreicht den zweiten Schwellenwert V_ref2, oder fällt darunter. Erfindungsgemäß wird jedoch die Feinstaubverbrennung nicht sofort gestoppt, selbst wenn die Ausgangsspannung V_OUT den zweiten Schwellenwert V_ref2 erreicht. Die Verbrennung des Feinstaubs wird vielmehr für eine vorbestimmte Zeitdauer t_ref fortgeführt, und die Beurteilung „Unterbrechung” erfolgt, nachdem der in dem Erfassungsabschnitt 11 angesammelte Feinstaub vollständig entfernt ist.
Daher wird das Auftreten der Unterbrechung in dem Erfassungsabschnitt 11 deutlich, und die Beurteilung „Unterbrechung” kann sicher erfolgen, wenn eine Unterbrechung in dem Erfassungsabschnitt 11 aufgetreten ist, weil die Ausgangsspannung V_OUT nach Bestätigung der Feinstaubverbrennung Null ist.
Wenn in dem Erfassungsabschnitt 11 eine Unterbrechung aufgetreten ist, während der Gassensor 1 in diesem Zustand betrieben wird, sammelt sich der Feinstaub im unterbrochenen Bereich an, und ein scheinbar normaler Betrieb wird durchgeführt, wobei der unterbrochene Bereich überbrückt ist. Nach der Feinstaubverbrennung wird jedoch die Ausgangsspannung V_OUT Null, und die Unterbrechungsanomalie offenbart sich.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und verschiedene Abwandlungen können entsprechend erfolgen, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen.
Beispielsweise ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen das Beispiel eines in einem Verbrennungsmotor wie etwa einem Automotor angebrachten Feinstauberfassungssensors beschrieben. Der erfindungsgemäße Feinstauberfassungssensor ist jedoch nicht auf fahrzeuggebundene Verwendung beschränkt, und kann zur Feinstauberfassung in Großanlagen wie etwa Wärmekraftanlagen verwendet werden.
Nach vorstehender Beschreibung ist ein Gassensor einem 1 Messgas zur Erfassung einer Konzentration von leitenden Teilchen in dem Gas ausgesetzt. Bei dem Gassensor erfasst eine Unterbrechungserfassungseinrichtung 13, 13a, ob eine Unterbrechung in Leitungspfaden 111 bis 117 und 121 bis 127 aufgetreten ist. Die Unterbrechungserfassungseinrichtung umfasst einen Unterbrechungserfassungswiderstand 13, 13a mit einem vorbestimmten Widerstandswert. Der Widerstand ist mit Erfassungselektroden 110, 120 auf einer Seite der Erfassungselektroden, die einer Widerstandsmesseinrichtung 60 gegenüberliegt, elektrisch verbunden, und mit einem zwischen den Erfassungselektroden zu erzeugenden elektrischen Widerstand R_sen parallel geschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 59-197847 A [0005, 0006]
WO 2008/138661 A [0007, 0009]
EP 1925926 A [0008]
JP 1925926 A [0012]

Claims

Gassensor (1), der einem Messgas zur Erfassung der Konzentration von leitenden Teichen in dem Gas ausgesetzt ist, wobei der Gassensor umfasst: ein Teilchenerfassungselement (10) mit einem elektrisch isolierenden wärmebeständigen Substrat (100) mit einer Oberfläche, einem Erfassungsabschnitt (11), der mit einem einzelnen Paar Erfassungselektroden (110, 120) versehen ist, die auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden wärmebeständigen Substrates dem Gas ausgesetzt sind, und einander zugewandt mit einem vorbestimmten Raum dazwischen angeordnet sind, und einem Erwärmungsabschnitt (141), der den Erfassungsabschnitt erwärmt; eine Widerstandsmesseinrichtung (60) zum Messen eines elektrischen Widerstands (R_sen), der zwischen den Erfassungselektroden zu erzeugen ist, wobei die Widerstandsmesseinrichtung mit dem einen der beiden Enden (112, 122) der Erfassungselektroden elektrisch verbunden ist, und wobei der elektrische Widerstand sich in Abhängigkeit von der durch das Teilchenerfassungselement erfassten Menge leitender Teilchen ändert; einen Leitungspfad (110 bis 117, 121 bis 127), der den Erfassungsabschnitt (11) und die Widerstandsmesseinrichtung (60) elektrisch verbindet; und eine Unterbrechungserfassungseinrichtung (13, 13a) zur Erfassung, ob in dem Leitungspfad eine Unterbrechung aufgetreten ist, wobei die Unterbrechungserfassungseinrichtung einen Unterbrechungserfassungswiderstand (13, 13a) mit einem vorbestimmten Widerstandswert aufweist, der mit den Erfassungselektroden auf einer der Widerstandsmesseinrichtung (60) gegenüberliegenden Seite elektrisch verbunden ist, und zu dem zwischen den Erfassungselektroden (110, 120) zu erzeugenden elektrischen Widerstand (R_sen) parallel geschaltet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das einzelne Paar Erfassungselektroden als zwei kammförmige Erfassungselektroden mit jeweils einer Vielzahl von zahnförmigen Elektroden ausgebildet ist, wobei die zahnförmigen Elektroden der beiden Erfassungselektroden einander zugewandt sind.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das einzelne Paar Erfassungselektroden teilweise mit Abschnitten (110e, 120e) in der Form einer Kurbelwelle ausgebildet ist, die einander zugewandt sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Unterbrechungserfassungswiderstand (13a) an einer thermisch stabilen Position auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden wärmebeständigen Substrates (100) angeordnet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Unterbrechungserfassungswiderstand (13a) ein Thermistor mit wärmeempfindlichen Eigenschaften ist, der nahe bei dem Erfassungsabschnitt angeordnet ist.
Verfahren zur Erfassung einer Unterbrechung in einem Gassensor nach Anspruch 1, mit den Schritten: Vergleichen einer Spannung mit einem Schwellenwert, wobei die Spannung durch einen Gesamtwiderstand erfasst wird, der durch das Kombinieren des Unterbrechungserfassungswiderstands und des zwischen den Erfassungselektroden (110, 120) zu erzeugenden elektrischen Widerstands (R_sen) miteinander erhalten wird; und Bestimmen, ob eine Unterbrechung aufgetreten ist, oder nicht, in Abhängigkeit von einem Ergebnis aus dem Vergleich der Spannung mit dem Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zur Bestimmung einer Unterbrechung bestimmt, dass die Unterbrechung aufgetreten ist, wenn der Vergleichsschritt zeigt, dass die Spannung größer gleich dem Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zur Bestimmung der Unterbrechung bestimmt, dass eine Unterbrechung aufgetreten ist, wenn der Vergleichsschritt zeigt, dass die Spannung kleiner gleich dem Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit den Schritten: Verbrennen der auf dem Erfassungsabschnitt (11) angesammelten leitenden Teilchen durch Ansteuern des Erwärmungsabschnitts (141); und Bestimmen, ob die angesammelten leitenden Teilchen vollständig verbrannt worden sind oder nicht, basierend auf Informationen über zumindest eine Verbrennungsdauer der leitenden Teilchen und eine Ausgabe des Teilchenerfassungselementes (10), wobei der Schritt zur Bestimmung einer Unterbrechung die Unterbrechung unter Verwendung der Ausgabe des Teilchenerfassungselementes (10) in Fällen bestimmt, bei denen der Schritt zur Bestimmung der Verbrennung bestimmt, dass die angesammelten leitenden Teilchen vollständig verbrannt worden sind.