Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к способам и системам обнаружения твердых частиц в выпускной системе.
Уровень техники и раскрытие изобретения
Системы снижения токсичности выбросов могут содержать различные датчики отработавших газов. Одним из примеров таких датчиков может служить датчик твердых частиц (ТЧ), показывающий их массу и (или) концентрацию в отработавших газах. В одном примере датчик ТЧ может функционировать, накапливая твердые частицы в течение некоторого времени и выдавая показание о степени их накопления в качестве меры уровней содержания твердых частиц в отработавших газах. Датчик ТЧ может быть расположен выше и/или ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц с возможностью использования для определения скопления твердых частиц в фильтре твердых частиц и диагностики работы фильтра твердых частиц.
Датчики ТЧ могут иметь недостатки, связанные с неравномерным осаждением сажи на датчике из-за несимметричного распределения потока по поверхности датчика. Кроме того, датчики ТЧ могут быть предрасположены к загрязнению из-за попадания водяных капель и/или крупных частиц из отработавших газов. При налипании крупных твердых частиц на электроды датчика, датчик ТЧ может утратить способность достоверно измерять количество ТЧ, прошедших через дизельный фильтр твердых частиц ДФТЧ. Например, налипание водяного конденсата на электроды датчика может ухудшить точность датчика ТЧ. Кроме того, водяной конденсат, налипший на чувствительный элемент, может привести к его растрескиванию под действием теплового напряжения. Это может привести к издержкам по гарантийным обязательствам.
Разработан ряд решений для уменьшения неравномерности осаждения сажи на датчики ТЧ. Один пример датчика ТЧ раскрыт Чжаном с соавторами в US 2015/0355067 А1. Согласно этому решению, датчик ТЧ содержит цилиндрическую защитную трубку с отверстиями и чувствительный элемент, расположенный внутри трубки и обращенный в сторону отверстий. Датчик ТЧ прикреплен к выпускному каналу ниже по потоку от фильтра твердых частиц так, что указанные отверстия расположены на нижней по потоку поверхности защитной трубки, обращенной к задней части выпускного канала. При такой конфигурации на поток отработавших газов по выпускному каналу может воздействовать разность давлений на протяжении внутреннего пространства защитной трубки. В связи с тем, что статическое давление на нижней по потоку поверхности выше, чем на боковых поверхностях, может происходить оттягивание отработавших газов в сторону отверстий на нижней по потоку поверхности защитной трубки с возможностью поступления отработавших газов в датчик ТЧ через указанные отверстия в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускном канале. Из-за большей инерции крупных твердых частиц и водяных капель, они могут быть неспособны изменить направление своего течения и попасть в датчик ТЧ.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки таких систем. В качестве одного примера, размер и форма указанных отверстий могут ограничивать количество отработавших газов, текущих в датчик ТЧ. Кроме того, в связи с тем, что отработавшие газы должны изменить направление течения на прямо противоположное, чтобы попасть в датчик ТЧ, возможно уменьшение расхода потока отработавших газов, поступающих в датчик. Это, в свою очередь, может привести к снижению чувствительности датчика ТЧ.
В одном примере вышеуказанные недостатки может преодолеть блок твердых частиц, содержащий: изогнутую трубку с первым, закрытым, концом и вторым, расходящимся раструбом наружу, концом, множество отверстий, сформированных вблизи первого конца, и чувствительный элемент, обращенный в сторону множества отверстий, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от второго конца. Таким образом, второй конец изогнутой трубки может образовать устройство Вентури, служащее для блокирования попадания крупных твердых частиц в датчик, и дополнительно служащее для увеличения расхода потока отработавших газов в датчик в сборе. В результате, можно повысить чувствительность датчика.
В качестве одного примера, датчик ТЧ в отработавших газах в сборе может быть выполнен с сенсорными электродами и быть расположен ниже по потоку от фильтра твердых частиц в выпускной трубе. Датчика ТЧ в сборе может содержать изогнутую в Г-образной форме защитную трубку. Первый конец изогнутой трубки может быть закрытым и может быть соединен с выпускной трубой. Чувствительный элемент может быть расположен внутри датчика напротив множества отверстий; при этом и чувствительный элемент, и множество отверстий расположены ближе к первому концу. Второй конец изогнутой трубки может представлять собой открытый, расходящийся раструбом наружу конец, и может быть расположен ниже по потоку от первого конца (и чувствительного элемента) и быть расположен внутри выпускной трубы. Изогнутая трубка может иметь постоянное поперечное сечение по всей длине, за исключением второго конца. На втором конце трубка может содержать направленную под углом наружу часть с возрастающим поперечным сечением на всем протяжении до оконечности изогнутой трубки, образующую устройство Вентури на втором конце изогнутой трубки. На устройстве Вентури отработавшие газы текут от оконечности трубки, где поперечное сечение больше, к первому концу изогнутой трубки с меньшим поперечным сечением. В результате, отработавшие газы попадают в сужение, в котором скорость их потока возрастает. Затем происходит направление потока отработавших газов из устройства Вентури, расположенного на втором конце, через множество отверстий к чувствительному элементу, расположенному вблизи первого конца защитной трубки. А именно, происходит направление отработавших газов к электродам чувствительного элемента. При подаче контроллером напряжения на электроды чувствительного элемента, твердые частицы в отработавших газах могу быть уловлены между электродами. Таким образом, результатом увеличения расхода потока отработавших газов в устройство Вентури может стать рост осаждения ТЧ между электродами чувствительного элемента. Это обеспечивает возможностью выдачи датчиком ТЧ точного результата измерения содержания твердых частиц в отработавших газах в выпускном канале выше по потоку от фильтра твердых частиц. Таким образом, с помощью датчика ТЧ можно надежно диагностировать течи в фильтре твердых частиц. Когда скопление сажи на электродах достигнет порогового, контроллер может подать напряжение для нагрева нагревательного элемента, соединенного с чувствительным элементом, для выжигания твердых частиц, осевших на электродах, и, тем самым, регенерации датчика ТЧ.
Таким образом, создание вентуриобразной конструкции внутри датчика ТЧ в сборе позволяет увеличить расход поток отработавших газов внутри блока ТЧ с соответствующим ростом чувствительности датчика. Кроме того, направление потока отработавших газов из нижней по потоку стороны изогнутой трубки позволяет уменьшить количество крупных твердых частиц и/или водяных капель, попадающих на чувствительный элемент. А именно, из-за большей инерции, водяные капли и/или крупные твердые частицы могут течь мимо устройства Вентури без изменения направления их потока для попадания в устройство Вентури. Следовательно, чувствительный элемент может быть защищен от попадания водяных капель и крупных твердых частиц. В целом, можно улучшить функционирование датчика ТЧ в сборе и повысить достоверность выходного сигнала датчика ТЧ.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Заявляемый предмет изобретения также не ограничивается вариантами осуществления, устраняющими недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящей заявки.
Краткое описание фигур чертежей
На ФИГ. 1 схематически изображен двигатель и датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, расположенный в потоке отработавших газов.
На ФИГ. 2А изображен схематический вид первого примера датчика ТЧ в сборе с Г-образной защитной трубкой с вентуриобразным входом и отклонителем с множеством отверстий вблизи чувствительного элемента, причем и отклонитель, и чувствительный элемент расположены внутри защитной трубки.
На ФИГ. 2В схематически изображен датчик ТЧ в сборе с указанием потока в Г-образную защитную трубку через вентуриобразный проход, сформированный на защитной трубке.
На ФИГ. 2С представлено увеличенное изображение вентуриобразного прохода, сформированного на конце защитной трубки.
На ФИГ. 3А изображен схематический вид второго примера датчика ТЧ в сборе с защитной трубкой в виде внутренней трубки, расположенной внутри наружной Г-образной трубки и дополнительно содержащей множество отверстий, сформированных на поверхности внутренней трубки, и изогнутым чувствительным элементом, расположенным в зазоре, образованном между внутренней и наружной трубками.
На ФИГ. 3В изображена принципиальная схема датчика ТЧ в сборе с указанием потока отработавших газов в выход, сформированный на наружной трубке, изменяющего свое направление на противоположное для течения во внутреннюю защитную трубку через вентуриобразный проход, сформированный на внутренней защитной трубке.
На ФИГ. 4А изображена принципиальная схема множества отверстий, сформированных на поверхности внутренней трубки.
На ФИГ. 4В изображены в поперечном разрезе внутренняя и наружная трубки, а также чувствительный элемент, расположенный в зазоре и обращенный к множеству отверстий.
На ФИГ. 4C-4D схематически изображены виды изогнутого чувствительного элемента с встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на одной стороне, и нагревательным элементом, сформированным на противоположной стороне чувствительного элемента.
На ФИГ. 5 изображена блок-схема примера способа для накопления твердых частиц из потока отработавших газов на чувствительном элементе, расположенном внутри защитной трубки датчика ТЧ в сборе.
ФИГ. 6 представляет собой блок-схему примера способа для регенерации чувствительного элемента датчика ТЧ в сборе.
На ФИГ. 7 изображена блок-схема примера способа для диагностики течей в фильтре твердых частиц, расположенном выше по потоку от датчика ТЧ в сборе.
На ФИГ. 8 представлен пример зависимости между скоплением сажи на датчике ТЧ в сборе и скоплением сажи на фильтре твердых частиц выше по потоку от датчика ТЧ в сборе.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для обнаружения твердых частиц (ТЧ) в потоке отработавших газов системы двигателя, например, системы двигателя на ФИГ. 1. Первый пример датчика ТЧ в сборе на ФИГ. 2А может быть соединен с выпускным каналом системы двигателя. Датчик ТЧ в сборе может содержать Г-образную изогнутую защитную трубку, соединенную с выпускным каналом первым, закрытым, концом. Изогнутая трубка также может содержать второй, расходящийся раструбом наружу (ФИГ. 2С), конец, расположенный внутри выпускного канала. В данном случае второй конец может служить проходом, выполненным с возможностью направления отработавших газов из выпускного канала в датчик ТЧ в сборе (ФИГ. 2В). А именно, отработавшие газы текут к чувствительному элементу через множество отверстий, сформированное на отклонителе. Второй конец может содержать вентуриобразный проход, выполненный с возможностью увеличения расхода потока отработавших газов на проходе датчика ТЧ в сборе. Второй пример датчика ТЧ в сборе может содержать изогнутую трубку, изображенную на ФИГ. 2А, в виде внутренней трубки. Внутренняя трубка может быть расположена внутри наружной Г-образной изогнутой трубки и быть отделена от наружной трубки зазором, как показано на ФИГ. 3А. Проход, сформированный вблизи на наружной трубке, может быть выполнен с возможностью направления отработавших газов сначала в зазор между внутренней и наружной трубками, а затем во второй конец внутренней трубки. Как и в предыдущем примере, второй конец может содержать вентуриобразный проход, выполненный с возможностью увеличения расхода потока отработавших газов во внутреннюю трубку из зазора. Попав во внутреннюю трубку, отработавшие газы могут течь к множеству отверстий, сформированных на поверхности внутренней трубки, к чувствительному элементу, расположенному в зазоре, как показано на ФИГ. 3В. Чувствительный элемент может представлять собой изогнутый датчик с встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на поверхности, обращенной к множеству отверстий, как показано на ФИГ. 4А и 4В. Чувствительный элемент может представлять собой изогнутый элемент с встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на первой стороне (ФИГ. 4С), и нагревательным элементом, сформированным на второй, противоположной, поверхности (ФИГ. 4D). Примеры датчика ТЧ в сборе могут содержать контроллер, выполненный с возможностью выполнения алгоритма управления, например, алгоритма на ФИГ. 5, для накопления твердых частиц из отработавших газов между электродами чувствительного элемента. Контроллер может выполнять периодическую очистку датчика ТЧ в сборе (ФИГ. 6) для бесперебойного обнаружения ТЧ. Контроллер также может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма, например, алгоритма на ФИГ. 7, для регенерации фильтра твердых частиц отработавших газов в зависимости от времени между регенерациями датчика ТЧ. Пример диагностики фильтра представлен на ФИГ. 8. Так можно повысить эффективность функционирования датчика ТЧ в части оценки фильтрующей способности ДФТЧ (и, тем самым, выявления течей ДФТЧ).
На ФИГ. 1 схематически изображена система 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства содержит систему 8 двигателя. Система 8 двигателя может содержать двигатель 10, содержащий множество цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впускную систему 23 двигателя и выпускную систему 25 двигателя. Впускная система 23 двигателя содержит дроссель 62, соединенный по текучей среде с впускным коллектором 44 по заборному каналу 42. Выпускная система 25 двигателя содержит выпускной коллектор 48, ведущий в выпускной канал 35, по которому отработавшие газы направляют в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен в заборном канале 42 ниже по потоку от устройства наддува, например, турбокомпрессора (не показан), и ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха (не показан). При наличии, охладитель наддувочного воздуха может быть выполнен с возможностью снижения температуры всасываемого воздуха, сжатого устройством наддува.
Выпускная система 25 двигателя может содержать одно или несколько устройств 70 снижения токсичности выбросов с возможностью установки в непосредственной близости друг от друга в выпускной системе. Одно или несколько устройств снижения токсичности выбросов могут представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, фильтр обедненных оксидов азота, нейтрализатор избирательного каталитического восстановления ИКВ и т.п. Выпускная система 25 двигателя также может содержать дизельный фильтр 102 твердых частиц (ДФТЧ), предварительно удаляющий ТЧ из поступающих газов, расположенный выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов. В одном примере, как изображено на фигуре, ДФТЧ 102 представляет собой систему улавливания твердых частиц дизельного двигателя. ДФТЧ 102 может иметь монолитную конструкцию из, например, кордиерита или карбида кремния, с множеством каналов внутри для удаления твердых частиц из отработавших газов дизельного двигателя. После прохождения через ДФТЧ 102, отработавшие газы, из которых были удалены ТЧ, могут поступать на датчик 106 ТЧ для измерения и далее на обработку в устройство 70 снижения токсичности выбросов, а затем - в атмосферу по выпускному каналу 35. В раскрытом примере датчик 106 ТЧ представляет собой резистивный датчик с возможностью оценки эффективности фильтрации в ДФТЧ 102 по изменению проводимости, измеренной между электродами датчика ТЧ. Схематический вид 200 датчика 106 ТЧ представлен на ФИГ. 2 и будет подробнее раскрыт ниже.
Система 6 транспортного средства может также содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана получающей информацию от множества датчиков 16 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании) и направляющей управляющие сигналы множеству исполнительных устройств 81 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании). В качестве одного примера, в число датчиков 16 могут входить: расходомер 126 отработавших газов, выполненный с возможностью измерения расхода отработавших газов в выпускном канале 35, датчик отработавших газов (в выпускном коллекторе 48), датчик 128 температуры, датчик 129 давления (ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выбросов) и датчик 106 ТЧ. Прочие датчики, например, дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения, расхода и состава отработавших газов могут быть установлены в различных местах системы 6 транспортного средства. В качестве другого примера, указанные исполнительные устройства могут представлять собой топливные форсунки 66, дроссель 62, клапаны ДФТЧ для управления регенерацией фильтра (не показаны), выключатель электрической цепи и т.п. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер 12 может быть выполнен с машиночитаемыми командами в долговременной памяти. Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков на ФИГ. 1, обрабатывает их и задействует различные исполнительные устройства на ФИГ. 1 для регулирования работы двигателя в зависимости от полученных сигналов и в соответствии с командами в памяти контроллера. Например, во время эксплуатации датчика ТЧ для накопления частиц сажи, контроллер может направить управляющий сигнал на электрическую цепь для подачи напряжения на электроды чувствительного элемента датчика ТЧ в сборе для улавливания заряженных твердых частиц на поверхности сенсорных электродов чувствительного элемента. В качестве еще одного примера, во время регенерации датчика ТЧ в сборе, контроллер может направить управляющий сигнал на цепь регенерации для замыкания выключателя в цепи регенерации на пороговое время для подачи того или иного напряжения на нагревательный элемент, соединенный с электродами чувствительного элемента, для нагрева электродов чувствительного элемента. Так происходит нагрев электродов для выжигания частиц сажи, осевших на поверхности электродов. Алгоритмы раскрыты в настоящем описании на примерах ФИГ. 5-7.
Обратимся к ФИГ. 2А, изображающей схематический вид 200 примера осуществления датчика 202 твердых частиц (ТЧ) в сборе (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1). Датчик 202 ТЧ в сборе может быть выполнен с возможностью измерения массы и/или концентрации ТЧ в отработавших газах и может быть соединен с выпускным каналом или трубой 204 (например, выпускным каналом 35 на ФИГ. 1) выше или ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц (например, ДФТЧ 102 на ФИГ. 1).
На схематическом виде 200 датчик 202 ТЧ в сборе расположен внутри выпускного канала 204, при этом отработавшие газы текут (по оси X) из области ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц в направлении выхлопной трубы, на что указывают стрелки 248. На примере датчика 202 ТЧ в сборе, отработавшие газы текут с верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне датчика в направлении, указанном стрелками 248. Например, нижняя по потоку сторона может быть ближе к выхлопной трубе. Система осей показана содержащей три оси, а именно, ось x, параллельную горизонтальному направлению, ось y, параллельную вертикальному направлению, и ось z, перпендикулярную осям x и y. С помощью системы осей на виде 200 может быть раскрыто взаимное расположение компонентов датчика 202 ТЧ в сборе. "Высота/длина" датчика 202 ТЧ в сборе и/или его компонентов может означать размер компонентов по оси у. Аналогичным образом, "длина/диаметр" компонентов датчика 202 ТЧ в сборе может означать физический размер компонентов по оси х. "Ширина" может означать физический размер компонентов по оси z.
Датчик 202 ТЧ в сборе содержит изогнутую трубку 203 (или блок изогнутой трубки), образующую Г-образную защитную трубку или корпус. Датчик 202 ТЧ в сборе содержит чувствительный элемент 214, расположенный внутри изогнутой трубки 203. Чувствительный элемент 214 расположен между стенками (без выступания за их пределы) изогнутой трубки 203. Размещение чувствительного элемента 214 целиком внутри изогнутой трубки 203 позволяет защитить электроды чувствительного элемента 214 от агрессивной среды внутри выпускного канала 204 и, тем самым, в целом улучшить функционирование чувствительного элемента 214.
Изогнутая трубка 203 содержит первую трубку (или часть) 206, соединенную по текучей среде со второй трубкой (или частью) 208. Первая трубка 206 представляет собой полую цилиндрическую трубку длиной L1 и диаметром D1 с центральной осью Y-Y', перпендикулярной потоку отработавших газов в выпускном канале (на что указывает стрелка 248). Далее по тексту первая трубка 206 также может именоваться «вертикальная трубка/часть». Первая трубка 206 может содержать прямой участок длиной L1 постоянного поперечного сечения. А именно, диаметр D1 первой трубки 206 может быть одинаков по всей длине L1 первой трубки 206.
Первая трубка 206 содержит первый, закрытый, конец 210, соединенный с выпускным каналом 204, и второй, открытый, конец 226, соединенный по текучей среде со второй трубкой 208. Поток отработавших газов в выпускном канале 204 может не быть способен поступать в датчик 202 ТЧ в сборе через первый конец 210 в связи с тем, что первый конец является закрытым. При этом, поскольку второй конец 226 не является закрытым, а соединен со второй трубкой 208, отработавшие газы могут течь через второй конец 226 первой трубки 206. Первая трубка 206 может содержать первую вертикальную поверхность 222 (например, обращенную вверх по потоку стенку/поверхность), проходящую на длину L1 от верха выпускного канала 204 вниз (параллельно оси Y) в выпускном канале 204. Первая трубка 206 может дополнительно содержать вторую вертикальную поверхность 220 (например, обращенную вниз по потоку стенку/поверхность), проходящую на длину L1' от верха выпускного канала 206, параллельно первой вертикальной поверхности 222, в выпускной канал 204. L1' может быть меньше, чем L1 (см. ниже). В данном случае центральная ось Y-Y' первой трубки может быть вертикальной, и поэтому может быть ориентирована в направлении гравитационной силы; при этом под гравитационной силой понимают силу, действующую на датчика ТЧ в сборе, расположенный в выпускном канале транспортного средства, когда транспортное средство расположено на земной поверхности (плоской, не наклонной) и не движется.
Вторая трубка 208 датчика 202 ТЧ в сборе представляет собой полую цилиндрическую трубку длиной L2 и диаметром D2 (прямой участок 209) с участком переменного диаметра (участком переменного сечения) на втором конце 212. Вторая трубка 208 имеет центральную ось Х-Х', перпендикулярную центральной оси Y-Y' первой трубки 206. Кроме того, центральная ось Х-Х' второй трубки параллельна направлению потока отработавших газов в выпускном канале (на что указывает стрелка 248). В данном случае прямой участок 209 диаметром D2 и длиной L2 представляет собой полую цилиндрическую трубку постоянного поперечного сечения с одинаковым диаметром D2 по всей длине L2. Второй конец 212 может синонимично именоваться «участок переменного сечения» второй трубки 208 с возрастающим поперечным сечением, как раскрыто на примере ФИГ. 2С.
Далее по тексту вторая трубка 208 также может именоваться «горизонтальная трубка/часть». А именно, вторая трубка 208 может проходить в направлении, параллельном потоку отработавших газов в выпускном канале, перпендикулярно первой трубке 206. Вторая трубка 208 содержит первый конец 230, соединенный по текучей среде со вторым концом 226 первой трубки 206. А именно, вертикальная поверхность 220 (например, обращенная вниз по потоку стенка/поверхность) первой трубки 206 соединена с горизонтальной поверхностью 232 (например, верхней стенкой/поверхностью) второй трубки 208. Аналогичным образом, вертикальная поверхность 222 (например, обращенная вверх по потоку стенка/поверхность) первой трубки 206 соединена с горизонтальной поверхностью 234 (например, нижней стенкой/поверхностью) второй трубки 208. Вертикальная поверхность 222 может ближе к фильтру твердых частиц ФТЧ (PF), чем любая другая поверхность датчика 202 ТЧ в сборе, когда он расположен в выпускном канале, например, выпускном канале 35 на ФИГ. 1, причем ФТЧ расположен выше по потоку от датчика 202 ТЧ в сборе. В данном случае длина вертикальной поверхности 222 может быть равна L1, а длина вертикальной поверхности 220 может быть равна L1-D2, где D2 - диаметр участка постоянного сечения второй трубки 208. Аналогичным образом, длина горизонтальной поверхности 234 может быть равна L2, а длина горизонтальной поверхности 232 может быть равна L2-D1, где D1 - диаметр первой трубки 206.
В одном примере длина и диаметр первой и второй трубок могут быть одинаковыми. В еще одном примере первая и вторая трубки могу иметь неравные длины и/или диаметры. Изогнутая трубка 203 может быть изготовлена из одной полой цилиндрической трубки, изогнутой по длине (например, посередине, в месте на одной трети длины, в месте на двух третях длины) трубки под углом, близким к 90° (например, от 85 до 95 градусов), с образованием Г-образной изогнутой трубки 203. Первая трубка и вторая трубка образуют сплошную Г-образную трубку.
В еще одном примере первая трубка и вторая трубка могут быть соединены друг с другом с образованием одной сплошной Г-образной трубки, причем первая трубка 206 содержит круглый вырез диаметром D2, сформированный на вертикальной поверхности 220 первой трубки вблизи второго конца 226, а вторая трубка 208 содержит круглый вырез диаметром D1, сформированный на горизонтальной поверхности 232 ближе к первому концу 230 второй трубки 208. Вертикальная поверхность 222 первой трубки 206 может быть соединена (например, приварена) с горизонтальной поверхностью 234 второй трубки 208 ближе к первому концу 230 второй трубки 208. Вертикальная поверхность 220 первой трубки может быть соединена (например, приварена) с горизонтальной поверхностью 232 второй трубки 232 ближе к первому концу 230 второй трубки 208. Так может быть образована изогнутая трубка 203, при этом первая трубка 206 может быть связана по текучей среде со второй трубкой 208.
В одном примере первая трубка 206 и вторая трубка 208 могут быть расположены под углом 90° друг к другу. В таком примере угол β, заключенный между центральными осями первой трубки 206 и второй трубки 208, составляет 90°. В данном случае угол β также представляет собой угол, заключенный между вертикальной поверхностью 220 первой трубки 206 и горизонтальной поверхностью 234 второй трубки 208, и угол, заключенный между вертикальной поверхностью 222 первой трубки 206 и горизонтальной поверхностью 232 второй трубки 208. В других примерах первая трубка 206 и вторая трубка 208 могут не быть перпендикулярны друг другу, при этом данные трубки могут быть расположены под тем или иным углом друг другу. То есть угол β может находиться в диапазоне 0<β<180°.
Вторая трубка 208 содержит расходящийся раструбом наружу конец 212 ниже по потоку от первого конца 210. В данном случае второй конец 212 второй трубки 208 представляет собой открытый конец, расположенный ниже по потоку от второго конца 226 первой трубки 206 и первого конца 230 второй трубки 208. Кроме того, второй конец 212 второй трубки 208 не соединен ни с первым концом 210 первой трубки 206, ни со вторым концом 226 первой трубки 206, ни с первым концом 230 второй трубки 208. Второй конец 212 второй трубки 208 представляет собой открытый конец, служащий входом датчика 202 ТЧ в сборе, который будет подробно раскрыт на примере ФИГ. 2С. То есть отработавшие газы могут поступать в датчик 202 ТЧ в сборе только через проход, образованный на втором конце 212 второй трубки 208.
На ФИГ. 2С изображен увеличенный вид 275 второго конца 212 второй трубки 208. Компоненты, раскрытые ранее на ФИГ. 2А, имеют аналогичные номера на ФИГ. 2С. Второй конец 212 содержит расходящиеся раструбом наружу фланцы 278 и 280, соединенные с горизонтальными поверхностями 232 и 234 второй трубки 208 соответственно. В данном случае горизонтальные поверхности 232 и 234 представляют собой соответственно верхнюю и нижнюю поверхности/стенки прямого участка 209 второй трубки 208. Расстояние D2 отделяет две горизонтальные поверхности 232 и 235 друг от друга. А именно, фланец 278 может быть соединен с горизонтальной поверхностью 232 на конце 282 прямого участка 209 второй трубки 208 под углом +α к центральной оси Х-Х'. Аналогичным образом, фланец 280 может быть соединен с горизонтальной поверхностью 234 на конце 284 прямого участка 209 второй трубки 208 под углом -α к центральной оси Х-Х'. В данном случае знак плюса для угла α означает, что угол измерен в направлении против часовой стрелки, а знак минуса для угла α означает, что угол измерен в направлении по часовой стрелке. Таким образом, фланец 278 повернут от фланца 280 (и центральной оси Х-Х') в направлении против часовой стрелки, а фланец 280 повернут от фланца 274 (и центральной оси Х-Х') в противоположном направлении (например, по часовой стрелке). В одном примере второй конец 212 можно охарактеризовать как полый конус 276 диаметром D2 на крайнем изнутри конце (например, конце, соединенном с прямым участком 209) и диаметром D3 на крайнем снаружи конце. В данном случае D3>D2, то есть наружное поперечное сечение конуса 276, больше внутреннего поперечного сечения конуса 276. То есть второй конец содержит участок возрастающей площади и, таким образом, возрастающего поперечного сечения. Уклон фланцев (или угол α) может зависеть от диаметров D2 и D3 полого конуса и длины L3 фланцев 278 и 280 (также именуемых «стороны» конуса 276). Математически, угол α может быть задан нижеследующим уравнением (1):
В одном примере значение а может быть фиксированным, например, 30°. В других примерах значение а может быть регулируемым. В таком примере фланцы могут представлять собой пластины, соединенные с прямым участком второй трубки посредством шарнира и мотора. Контроллер (например, контроллер 12 на ФИГ. 1) может быть выполнен с возможностью приведения каждого из фланцев во вращение вокруг центральной оси Х-Х' для регулирования угла α, путем регулирования уровня отдачи мотора, соединенного с указанными пластинами. Так можно регулировать поперечное сечение прохода в датчик 202 ТЧ в сборе в зависимости от параметров потока отработавших газов. В одном примере, когда расход потока отработавших газов в выпускном канале падает ниже того или иного порога, контроллер может привести в действие моторы для вращения фланцев в направлении наружу для увеличения а, для увеличения поперечного сечения прохода в датчик 202 ТЧ в сборе. Это, в свою очередь, увеличивает расход потока отработавших газов в датчик ТЧ в сборе через указанный проход. Таким образом, можно повысить интенсивность накопления ТЧ из отработавших газов на чувствительном элементе, когда расход потока отработавших газов в выпускном канале падает.
Прямой участок 209 и второй конец 212 совместно образуют устройство 290 Вентури. В данном случае устройство Вентури образовано на конце второй трубки 208 путем соединения полого конуса 276 с прямым участком 209 второй трубки 208. Устройство 290 Вентури служит входом в датчик 202 ТЧ в сборе. Преимущество устройства 290 Вентури в качестве входа состоит в том, что поток отработавших газов в датчик ТЧ в сборе должен пройти через трубу убывающего диаметра, в связи с чем растет скорость потока отработавших газов внутри устройства Вентури. Таким образом, возрастает количество отработавших газов, текущих в датчик 202 ТЧ в сборе, в частности - к расположенному внутри него чувствительному элементу 214.
Вернемся к ФИГ. 2А: чувствительный элемент 214 датчика 202 ТЧ в сборе расположен внутри первой трубки 206, как схематически показано на виде 200. В одном примере нижний конец чувствительного элемента 214 может быть соединен с нижней перегородкой 218, а верхний конец чувствительного элемента 214 может быть соединен с первым концом 210 внутренней трубки 206. А именно, первая трубка 206 может содержать нижнюю перегородку или пластину 218 на расстоянии L4 от первого конца 210 первой трубки, а чувствительный элемент 214 может быть расположен в пределах пространства, заключенного между первым концом 210 первой трубки 206 и нижней перегородкой 218. Нижняя перегородка 218 может представлять собой пластину длиной D4 с большой осью, перпендикулярной центральной оси первой трубки 206. Один конец нижней перегородки 218 может быть соединен с вертикальной поверхностью 220 первой трубки, а другой, противоположный, конец нижней перегородки может быть отделен от противоположной вертикальной поверхности 222 первой трубки 206 зазором 224. Нижняя перегородка 218 делит первую трубку 206 на две камеры - верхнюю камеру 236 и нижнюю камеру 238. Под верхней камерой 236 понимают область первой трубки 206, заключенную между первым концом 210 первой трубки 206 и нижней перегородкой 218. Зазор 224, отделяющий нижнюю перегородку 218 от вертикальной поверхности 222 первой трубки 206, обеспечивает возможность соединения по текучей среде верхней камеры 236 с нижней камерой 238. В одном примере нижняя камера 238 может представлять собой область внутри первой трубки 206 под нижней перегородкой 218, и дополнительно включает в себя всю область, заключенную внутри второй трубки 208. Чувствительный элемент 214 может быть расположен внутри верхней камеры 236 так, что большая ось чувствительного элемента 214 параллельна центральной оси Y-Y' первой трубки 206. То есть чувствительный элемент 214 перпендикулярен нижней перегородке 218.
Датчик 202 ТЧ в сборе может дополнительно содержать множество отверстий 216, сформированных на отклонителе 217. Множество отверстий 216 может быть расположено ближе к чувствительному элементу 214 и дальше от второго конца 212 второй трубки 208. А именно, множество отверстий 216 может быть расположено выше по потоку от чувствительного элемента 214 вблизи зазора 224.
Чувствительный элемент 214 отстоит от отклонителя 217, и, следовательно, от множества отверстий 216, на некоторое расстояние (например, от 1 мм до 3 мм). То есть чувствительный элемент не соприкасается с отклонителем и множеством отверстий. Например, расстояние, разделяющее чувствительный элемент и отклонитель, может быть меньше, чем зазор 224. Устройство отклонителя с множеством отверстий, а также местоположение и ориентация чувствительного элемента относительно отклонителя, обеспечивают возможность увеличения распределения оседающей на электродах чувствительного элемента сажи по вертикали. В данном случае компоновка обеспечивает равномерное распределение потока отработавших газов в вертикальном направлении (ось Y).
Множество отверстий представляет собой группу отверстий, сформированных на отклонителе 217 и пропускающих поток отработавших газов к чувствительному элементу 214, как раскрыто на примере ФИГ. 2В. Геометрические формы отверстий и расстояние между ними могут быть разными. Неограничивающими примерами геометрических форм отверстий являются: цилиндрическая, сферическая, квадратная, прямоугольная и т.п. Один пример содержит 10 квадратных отверстий 216 в один ряд по вертикали. В других примерах расстояние между отверстиями 216 и их расположение могут быть другими, но с сохранением возможности направления потока к чувствительному элементу 214.
Датчик 202 ТЧ в сборе дополнительно содержит выход 228, сформированный на передней поверхности первой трубки 206. В одном примере выход 228 содержит проход, выполненный по форме трапеции с возможностью пропуска отработавших газов из датчика 202 ТЧ в сборе. Выход 228 может иметь и другие геометрические формы без отступления от объема настоящего раскрытия. Отработавшие газы текут в датчик 202 ТЧ в сборе через второй конец 212, к чувствительному элементу 214 через множество отверстий 216, и далее из датчика ТЧ в сборе через выход 228, как раскрыто на ФИГ. 2В.
На ФИГ. 2В схематический вид 250 изображает поток отработавших газов через датчик 202 ТЧ в сборе. Компоненты, раскрытые ранее на ФИГ. 2А и 2С, имеют аналогичные номера на ФИГ. 2В. Вид 250 иллюстрирует поток отработавших газов в датчик 202 ТЧ в сборе через второй, расходящийся раструбом наружу, конец 212 второй трубки 208 и далее через зазор 224 и множество отверстий 216 к чувствительному элементу 214.
Датчик 202 ТЧ в сборе прикреплен к выпускному каналу 204 ниже по потоку от фильтра твердых частиц так, что второй конец 212 расположен на нижней по потоку стороне изогнутой трубки 203. Поэтому на отработавшие газы, текущие по выпускному каналу, может воздействовать разность давлений вдоль наружной стороны изогнутой трубки 203. Например, на нижней по потоку стороне изогнутой трубки 203 может возникать более высокое статическое давление, чем на вертикальных боковых поверхностях 220 и 220, а также на передней и задней поверхностях изогнутой трубки 203. Так как статическое давление на нижней по потоку стороне выше, чем на боковых поверхностях, возможно втягивание отработавших газов в направлении нижней по потоку стороны датчика ТЧ. В частности, возможно втягивание отработавших газов в направлении второго конца 212 второй трубки 208 датчика 202 ТЧ в сборе. Например, поскольку статическое давление на передней и задней поверхностях первой трубки 206 ниже, чем статическое давление на нижней по потоку стороне, отработавшие газы могут не поступать в датчик через выход 228. Таким образом, отработавшие газы могут поступать в датчик ТЧ в сборе только через проход второго конца 212 в направлении, противоположном (стрелка 254) направлению потока отработавших газов в выпускном канале (стрелка 248). А именно, конструкция изогнутой трубки 203 и положение второго, открытого, конца 212 на нижней по потоку стороне обеспечивают возможность изменения направления потока отработавших газов на противоположное и их поступления в датчик 202 ТЧ в сборе.
Как раскрыто на примере ФИГ. 2С, соединение прямого участка 209 и конца с возрастающим диаметром создает устройство 290 Вентури на втором конце 212 второй трубки 208. Преимущество, достигаемое созданием устройства 290 Вентури на проходе датчика 202 ТЧ в сборе, состоит в том, что на отработавшие газы, втягиваемые во второй конец 212, действует эффект Вентури, при котором скорость отработавших газов возрастает при их прохождении через устройство 290 Вентури. Например, расход потока отработавших газов, поступающих во вторую трубку 208 через устройство 290 Вентури, при протекании внутри второй трубки 208 выше расхода потока отработавших газов снаружи в выпускном канале 204. Иначе говоря, расход потока отработавших газов через устройство 290 Вентури во второй трубке 208 выше расхода потока отработавших газов по выпускному каналу 204. Кроме того, поскольку отработавшие газы меняют направление течения на противоположное для поступления во вторую трубку 208 через устройство 290 Вентури, направление потока отработавших газов внутри второй трубки 208 противоположно направлению потока отработавших газов в выпускном канале 204.
Кроме того, второй конец 212 может блокировать попадание твердых частиц и частиц 252 воды в датчик 202 ТЧ в сборе. А именно, расходящиеся раструбом наружу фланцы второго конца могут блокировать крупные твердые частицы и, тем самым, уменьшать воздействия от попадания твердых частиц на чувствительный элемент.
Отработавшие газы текут через вторую трубку 208 по пути, указанному стрелками 256. Стрелки 256 указывают, что направление потока отработавших газов внутри прямого участка 209 второй трубки 208 противоположно направлению потока отработавших газов в выпускном канале. Далее отработавшие газы текут из второй трубки 208 к первой трубке 206, на что указывает стрелка 257. А именно, отработавшие газы текут из второй в первую трубку (стрелка 257) в направлении, перпендикулярном потоку отработавших газов внутри второй трубки 208 и потоку отработавших газов в выпускном канале. В одном примере отработавшие газы внутри прямого участка 209 поворачивают на 90° для протекания в первую трубку 206.
Нижняя перегородка 218 блокирует поток отработавших газов из нижней камеры 238 в верхнюю камеру 236 каким-либо путем, кроме зазора 224, тем самым принудительно направляя отработавшие газы в нижней камере 238 через сужение, образованное на зазоре 224. Это дополнительно повышает скорость отработавших газов при их протекании из нижней камеры в верхнюю камеру 236 через зазор 224. Далее отработавшие газы текут из зазора 224 в верхнюю камеру 236. Поступив внутрь верхней камеры, отработавшие газы текут через отверстия 216 (на что указывает стрелка 257) на отклонителе 217 к чувствительному элементу 214. То есть происходит еще одно изменение направления потока отработавших газов (например, на 90°) от восходящего направления (стрелка 257) к направлению к отверстиям (стрелка 259). Например, длина отклонителя может быть равна длине чувствительного элемента 214. В данном случае чувствительный элемент 214 содержит электроды, сформированные вдоль первой поверхности подложки, и нагревательный элемент, сформированный на противоположной поверхности подложки. Нормаль к подложке чувствительного элемента 214 перпендикулярна продольной оси отклонителя 217. Кроме того, электроды чувствительного элемента 214 расположены ближе к множеству отверстий 216 и вдали от выхода 228.
Чувствительный элемент 214, как правило, содержит пару плоских встречно-гребенчатых электродов, образующих «гребенчатую» структуру. Как правило, эти электроды могут быть выполнены из таких металлов, как платина, золото, осмий, родий, иридий, рутений, алюминий, титан, цирконий и т.п., а также из оксидов, цементных веществ, сплавов и комбинаций вышеперечисленного, содержащих как минимум один из вышеуказанных металлов. Электроды сформированы на подложке, которая может быть изготовлена из материалов с высокими электроизоляционными свойствами. Примерами электроизоляционных материалов могут служить оксиды таких металлов, как алюминий, цирконий, иттрий, лантан, кремний, а также комбинации, содержащие как минимум один из вышеуказанных материалов, и любые аналогичные материалы, способные подавлять электрическую связь и обеспечивать физическую защиту пары встречно-гребенчатых электродов. Расстояние между «зубьями» гребенчатой структуры двух электродов, как правило, может лежать в диапазоне от 10 микрометров до 100 микрометров, при этом зубья имеют приблизительно одинаковую ширину линии, хотя последнее и не является обязательным.
Положительный электрод пары встречно-гребенчатых электродов чувствительного элемента 214 соединен с помощью соединительных проводов 244 с положительной клеммой источника 264 напряжения электрической цепи 262. Отрицательный электрод пары встречно-гребенчатых электродов чувствительного элемента 214 соединен с измерительным устройством 270 соединительным проводом 246 и далее - с отрицательной клеммой источника 264 напряжения электрической цепи 262. Соединительные провода 244 и 246, источник 264 напряжения и измерительное устройство 270 входят в состав электрической цепи 262 и расположены за пределами выпускного канала 204 (в качестве одного примера, <1 метра от него). Кроме того, источником 264 напряжения и измерительным устройством 270 электрической цепи 262 может управлять контроллер, например, контроллер 12 на ФИГ. 1, чтобы использовать твердые частицы, собранные на датчике ТЧ, для диагностики течей в ФТЧ выше по потоку от датчика отработавших газов (например, ДФТЧ 102 в варианте осуществления на ФИГ. 1), например. Измерительное устройство 270 может представлять собой любое устройство с возможностью определения изменения сопротивления между электродами, например, вольтметр. По мере оседания ТЧ или частиц сажи между электродами чувствительного элемента 214, сопротивление между парой электродов может начать падать, на что указывает рост результата измерения величины тока измерительным устройством 270 для фиксированного напряжения (обычно, 45 В) источника 264 напряжения. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью определения сопротивления между электродами чувствительного элемента 214 как функции результата измерения электрического тока измерительным устройством 270 и определять соответствующее скопление ТЧ или сажи на электродах чувствительного элемента 214. Контролируя их скопление на чувствительном элементе 214, можно определять содержание сажи в отработавших газах ниже по потоку от ДФТЧ, и на основании этого диагностировать и контролировать техническое состояние и функционирование ДФТЧ.
Чувствительный элемент 214 также содержит нагревательный элемент (не обозначен на ФИГ. 2В), встроенный в подложку чувствительного элемента 214. В других вариантах осуществления чувствительный элемент 214 может не содержать нагревательный элемент. Нагревательный элемент может содержать, помимо прочего, датчик температуры и нагреватель. Примерами материалов для нагревателя и датчика температуры, образующих нагревательный элемент, могут служить платина, золото, палладий и т.п.; а также сплавы, оксиды и комбинации, содержащие как минимум один из вышеуказанных материалов, с платиной/оксидом алюминия, платиной/палладием, платиной и палладием. Нагревательный элемент можно использовать для регенерации датчика 202 ТЧ в сборе. А именно, в условиях, когда скопление твердых частиц или сажи на чувствительном элементе 214 выше порогового, можно включить нагревательный элемент для выжигания скопившихся частиц сажи с поверхности чувствительного элемента.
Во время регенерации датчика ТЧ контроллер 12 может подать на источник 266 напряжения напряжение, необходимое для работы нагревательного элемента, при этом источник напряжения соединен с нагревательным элементом соединительными проводами 240 и 242. Кроме того, контроллер может замкнуть выключатель 268 на пороговое время для подачи напряжения через источник 266 напряжения на нагревательный элемент для повышения температуры нагревательного элемента. Затем, когда сенсорные электроды станут достаточны чистыми, контроллер может разомкнуть выключатель 268 для прекращения нагрева нагревательного элемента. Периодическая регенерация чувствительного элемента 214 позволяет возвращать его в состояние (например, незагрязненное или только частично загрязненное), более подходящее для сбора сажи из отработавших газов. Кроме того, из результатов регенерации датчика можно получить достоверную информацию о содержании сажи в отработавших газах с возможностью использования этой информации контроллером для диагностики течей в фильтре твердых частиц.
После протекания к чувствительному элементу 214, где происходит улавливание частиц сажи между электродами, отработавшие газы текут к выходу 228, на что указывает стрелка 258. А именно, часть отработавших газов, протекающая в верхней камере 236, может выйти через выход 228. Выход 228 может представлять собой отверстия, вырезанные на диаметрально противоположных поверхностях первой трубки 206. Возможны и другие геометрические формы выходных отверстий 228 без отступления от объема настоящего раскрытия. В число примеров отверстий других геометрических форм входят трапециевидные, квадратные, прямоугольные и треугольные проемы/прорезы. В одном примере выход 228 может содержать трапециевидный прорез с продольной осью, параллельной центральной оси Y-Y' первой трубки 206. Два трапециевидных прореза могут быть сформированы на передней стенке и задней стенке первой трубки 206. Длина выхода 228 может быть равна длине L3 верхней камеры 236. В некоторых примерах длина выхода может быть меньше, чем длина верхней камеры 236. Трапециевидный выход 228 может содержать более широкую вершину и более узкое основание. Отработавшие газы выходят из датчика 202 ТЧ в сборе через выход 228 (на что указывает стрелка 260) в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов внутри нижней камеры 238. Преимущество, создаваемое Г-образной конструкцией трубки с отогнутым наружу концом, служащим входом в датчик ТЧ в сборе, состоит в том, что отогнутый конец блокирует попадание крупных твердых частицы в датчик и дополнительно служит для увеличения расхода потока отработавших газов в датчик в сборе. Таким образом, датчик ТЧ в сборе может быть защищен от попадания водяных капель и крупных твердых частиц, а надежность датчика ТЧ может быть повышена. В целом, можно улучшить функционирование датчика ТЧ в части оценки фильтрующей способности ДФТЧ (и, тем самым, выявления течей ДФТЧ) и показатели по выбросам отработавших газов за счет более достоверного и надежного обнаружения твердых частицы в отработавших газах.
Раскрытый выше пример датчика ТЧ в сборе содержит одну Г-образную трубку, выполненную с входом и выходом для направления отработавших газов в датчик и из него, как показано на ФИГ. 2А-2С. В конструкции второго датчика ТЧ в сборе может быть использован раскрытый выше датчик ТЧ в сборе в виде внутренней трубки, с дополнительным размещением внутренней трубки внутри наружной Г-образной трубки, как разъясняется на ФИГ. 3А и 3В.
На ФИГ. 3А изображен схематический вид 300 примера осуществления датчика 302 твердых частиц (ТЧ) в сборе (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1 и датчика 202 ТЧ в сборе на ФИГ. 2А-2С). Датчик 302 ТЧ в сборе может быть выполнен с возможностью измерения массы и/или концентрации ТЧ в отработавших газах и может быть соединен с выпускным каналом или трубой 304 (например, выпускным каналом 204 на ФИГ. 2А-2С) выше или ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц (например, ДФТЧ 102 на ФИГ. 1).
На схематическом виде 300 датчик 302 ТЧ в сборе расположен в выпускном канале 304, при этом отработавшие газы текут (по оси X) из области ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц к выхлопной трубе, на что указывают стрелки 328. В примере датчика 302 ТЧ в сборе отработавшие газы текут от верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне датчика в направлении, указанном стрелками 328. Например, нижняя по потоку сторона может быть ближе к выхлопной трубе. Система осей показана содержащей три оси, а именно, ось x, параллельную горизонтальному направлению, ось y, параллельную вертикальному направлению, и ось z, перпендикулярную осям x и y. С помощью системы осей на виде 300 может быть раскрыто взаимное расположение компонентов датчика 302 ТЧ в сборе. "Высота/длина" датчика 302 ТЧ в сборе и/или его компонентов может означать размер компонентов по оси у. Аналогичным образом, "длина/диаметр" компонентов датчика 302 ТЧ в сборе может означать физический размер компонентов по оси x. "Ширина" может означать физический размер компонентов по оси z.
Датчик 302 ТЧ в сборе содержит внутреннюю изогнутую трубку 306, расположенную внутри наружной изогнутой трубки 308 и отделенную от наружной трубки 308 зазором или пространством 310. В зазоре 310 отсутствуют какие-либо компоненты. Внутренняя трубка 306 может представлять собой пример изогнутой трубки 203, раскрытой на примере ФИГ. 2А-2С, и может иметь все характеристики, раскрытые на примере изогнутой трубки 203. Вкратце, внутренняя трубка 306 представляет собой Г-образную полую трубку с первым, закрытым, концом 318, соединяющим внутреннюю трубку 306 с выпускным каналом 304. Кроме того, внутренняя трубка 306 содержит второй, расходящийся раструбом наружу, конец 322, служащий входом во внутреннюю трубку 306. Как и второй конец 212 на ФИГ. 2А-2С, второй конец 322 содержит ориентированные наружу фланцы, образующие устройство Вентури на втором конце 322. Преимущество, создаваемое наличием устройства Вентури, образованного на конце внутренней трубки 306, состоит в возможности увеличения расхода потока отработавших газов во внутреннюю трубку 306 под действием эффекта Вентури, речь о котором шла выше.
Наружная трубка 308 схожа с внутренней трубкой 306 и содержит блок Г-образной трубки с диаметром D4. Как и внутренняя трубка 306, наружная трубка 308 содержит первый конец 320, закрытый и соединенный с выпускным каналом 304, и второй конец 324, открытый и не соединенный с выпускным каналом 304. При этом второй конец 324 наружной трубки 308 не представляет собой расходящийся раструбом наружу конец, как второй конец 322 внутренней трубки 306. Второй конец 324 содержит открытую поверхность постоянного поперечного сечения, в отличие от второго конца 322 внутренней трубки 306. В данном случае наружная трубка 308 имеет постоянное поперечное сечение по всей длине наружной трубки 308. То есть вертикальная и горизонтальная части (в том числе, второй конец 324) наружной трубки 308, образующие Г-образную геометрическую конструкцию, имеют один и тот же диаметр. Внутренняя трубка 306 может иметь постоянное поперечное сечение (например, диаметр D5) по всей длине, за исключением второго конца 322. Внутренняя трубка 306 расположена по центру внутри наружной трубки 308 и отделена от наружной трубки 308 зазором 310. Зазор 310 возник из-за разности диаметров внутренней и наружной трубок. Поэтому зазор 310 можно математически записать в форме (D4-D5)/2. Например, зазор 310 представляет собой кольцевое пространство, образованное между внутренней и наружной трубками. Наружная трубка 308 дополнительно содержит вход 326, сформированный выше по потоку от второго конца 322 внутренней трубки 306. В одном примере вход 326 может быть расположен в «коленной» или изогнутой части наружной трубки 308. Вход 326 может представлять собой эллиптическое отверстие, выполненное с возможностью направления отработавших газов в датчик 302 ТЧ в сборе в направлении, параллельном направлению потока отработавших газов в выпускном канале 304. В некоторых примерах вход 326 может содержать множество отверстий, сформированных вдоль верхней по потоку поверхности наружной трубки 308. Вход 326 предназначен для пропуска отработавших газов в зазор 310, как показано на ФИГ. 3В.
Схематический вид 350 на ФИГ. 3В изображает поток отработавших газов через датчик 302 ТЧ в сборе. Компоненты, раскрытые ранее на ФИГ. 3А, имеют аналогичные номера на ФИГ. 3В. Вид 350 иллюстрирует поток отработавших газов в датчик 302 ТЧ в сборе через вход 326.
Отработавшие газы поступают в датчик 302 ТЧ в сборе через вход 326 в направлении, параллельном направлению потока отработавших газов в выпускном канале 304 (стрелка 328). А именно, отработавшие газы поступают в зазор 310, образованный между внутренней трубкой 306 и наружной трубкой 308 (стрелка 352). Крупные твердые частицы 360 могут течь в зазор 310 и вытекать из датчика 302 через второй конец 324 наружной трубки 308. Далее крупные твердые частицы и/или водяные капли (обозначенные кружками 360) могут продолжить течь в горизонтальном направлении внутри зазора 310, не поступая во внутреннюю трубку 306. Более высокая инерция крупных твердых частиц и/или водяных капель не позволяет им повернуть и/или изменить направление для поступления в проход, сформированный на втором конце 322 внутренней трубки 306. Некоторая часть отработавших газов может поступать в датчик 302 через второй конец 324 наружной трубки. При этом количество отработавших газов, поступающих через вход 326 с нижней по потоку стороны, больше количества отработавших газов, поступающих через второй конец 324, расположенный на нижней по потоку стороне.
Отработавшие газы внутри зазора 310 между внутренней и наружной трубками могут поступать в проход Вентури, сформированный во втором конце 322 внутренней трубки 306. Как раскрыто на примере ФИГ. 2А-2С, отработавшие газы текут во второй конец 322 внутренней трубки за счет изменения направления их потока на противоположное. То есть отработавшие газы, поступающие во внутреннюю трубку 306, текут в направлении, противоположном потоку отработавших газов внутри зазора и потоку отработавших газов в выпускном канале 304. Расположение прохода Вентури на втором конце 322 внутренней трубки увеличивает скорость отработавших газов при их протекании из прохода большего поперечного сечения во внутреннюю трубку 306 меньшего поперечного сечения. В результате, расход потока отработавших газов во внутреннюю трубку 306 выше расхода потока отработавших газов в выпускном канале и расхода потока отработавших газов внутри зазора 310, например. Это, в свою очередь, увеличивает количество ТЧ отработавших газов, текущих во внутреннюю трубку 306, и, как следствие, количество ТЧ отработавших газов, текущих к чувствительному элементу 312 датчика 302 и оседающих между электродами. В результате, растет чувствительность датчика в сборе.
Поступив во внутреннюю трубку, отработавшие газы текут противоположно (стрелка 353) направлению потока в выпускном канале, как было раскрыто ранее на примере ФИГ. 2 В. Кроме того, отработавшие газы продолжают течь вверх противоположно направлению гравитации (стрелка 354) в вертикальной части внутренней трубки 306 к множеству отверстий 316. В некоторых примерах осуществления внутренняя трубка 306 может содержать нижнюю перегородку и отклонитель с множеством отверстий, выполненных с возможностью направления отработавших газов во внутренней трубке 306 к чувствительному элементу 312, расположенному ближе к отверстиям (как и в изогнутой трубке 203 на ФИГ. 2А-2С). В других примерах осуществления внутренняя трубка 306 может содержать множество отверстий 316, сформированных вдоль верхней части 314 внутренней трубки 306. А именно, множество отверстий 316 могут быть сформированы вдоль верхней части 314 нижней по потоку боковой стенки внутренней трубки 306, расположенной ниже по потоку от входа 326 наружной трубки 308. В данном случае верхняя часть 314 может проходить на ту или иную длину от верхнего конца 318 внутренней трубки 306 вдоль нижней по потоку боковой стенки внутренней трубки 306. Кроме того, множество отверстий может быть выполнено с возможностью направления отработавших газов из внутренней трубки 306 к зазору 310 между внутренней и наружной трубками. Чувствительный элемент 312 может быть расположен ниже по потоку от множества отверстий в зазоре 310 для сбора ТЧ из отработавших газов, как раскрыто на ФИГ. 4A-4D.
На ФИГ. 4А представлен вид 400 снаружи в аксонометрии датчика 302 ТЧ в сборе. ФИГ. 4В изображает вид 425 сверху датчика 302 ТЧ в сборе. Части датчика 302 ТЧ в сборе на виде 400 снаружи в аксонометрии показаны прозрачными для демонстрации внутреннего пространства датчика 302 ТЧ в сборе, в том числе чувствительного элемента 312 и внутренней трубки 306. ФИГ. 4С и 4D представляют собой детальные изображения чувствительного элемента 312.
Вид 400 на ФИГ. 4А изображает множество отверстий 316, сформированных на части 314 внутренней трубки 306. А именно, множество отверстий 316 представляет собой группу отверстий, равномерно распределенных по части 314. На виде 400, в качестве неограничивающего примера множества отверстий 316, представлено пять вертикальных и восемь горизонтальных рядов равноудаленных друг от друга круглых отверстий. Геометрические параметры, форма и распределение отверстий могут быть другими без отступления от объема настоящего раскрытия. В одном примере множество отверстий 316 может быть рассредоточено по участку нижней по потоку боковой стенки внутренней трубки 306, соответствующему участку поверхности чувствительного элемента 312. Преимущество, создаваемое рассредоточением множества отверстий 316 по части 314, состоит в более равномерном распределении потока отработавших газов к электродам 402 чувствительного элемента 312. Это повышает надежность выходного сигнала чувствительного элемента 312.
Отработавшие газы вытекают из внутренней трубки 306 через множество отверстий 316 в кольцевое пространство или зазор 310 между наружной трубкой 308 и внутренней трубкой 306. Отработавшие газы выходят из внутренней трубки 306 через отверстия 316 в радиальном направлении наружу (стрелка 426) к электродам 402 чувствительного элемента 312.
На ФИГ. 4В изображен вид 425 сверху чувствительного элемента 312, расположенного в зазоре 310 между внутренней трубкой 306 и наружной трубкой 308. Твердые частицы в отработавших газах могут оседать на первую поверхность 427 с электродами 402. В одном примере чувствительный элемент 312 может содержать плоскую подложку с встречно-гребенчатыми положительными и отрицательными электродами, сформированными на поверхности чувствительного элемента, при этом поверхность обращена к множеству отверстий 316. Плоские подложки и встречно-гребенчатые электроды могут содержать все характеристики, раскрытые ранее на примере чувствительного элемента 214 на ФИГ. 2В.
В еще одном примере подложка 430 чувствительного элемента 312 может быть не плоской, а изогнутой, (при этом характеристики подложки и электродов остаются аналогичными раскрытым ранее на ФИГ. 2В). Может быть предпочтительно ввести изогнутый чувствительный элемент в зазоре 310 между внутренней трубкой 306 и наружной трубкой 308, так как площадь его поверхности, на которой возможно улавливание поступающих частиц сажи, может быть больше, чем в случае, например, плоского чувствительного элемента. Изгиб подложки 430 может зависеть от изгиба (или радиуса) внутренней трубки 306 и наружной трубки 308. На виде 425 сверху изогнутая подложка 430 представлена в виде дуги радиусом R6, зависящим от радиуса R4 наружной трубки 308 и радиуса R5 внутренней трубки 306. В данном случае внутренняя трубка, наружная трубка и изогнутая подложка могут иметь совпадающий центр С. В одном примере изогнутая подложка может быть расположена внутри зазора 310 посередине расстояния между внутренней и наружной трубками. В таком примере R6 может быть равен (R4+R5)/2. Иначе говоря, изогнутая подложка 430 может быть расположена в середине зазора 310 на расстоянии, задаваемом формулами (D4-D5)/4 или (R4-R5)/2. В некоторых других примерах изогнутая подложка 430 может быть размещена ближе к внутренней трубке (или дальше от наружной трубки) или ближе к наружной трубке (дальше от внутренней трубке), а не посередине. При этом изогнутая подложка 430 может быть расположена внутри зазора 310 и, таким образом, не выступать из датчика 302 ТЧ в сборе.
Как показано на виде 425, первая поверхность 427 подложки 430 датчика обращена к наружной поверхности внутренней трубки 306, а вторая поверхность 429 обращена к внутренней поверхности наружной трубки 308. Вторая поверхность 429 диаметрально противоположна первой поверхности 427 и обращена в противоположном направлении в сторону внутренней поверхности наружной трубки 308. Скопление твердых частиц может происходить на отдельных электродах 402 или между ними. При этом в некоторых примерах отработавшие газы, поступающие в зазор 310 из внутренней трубки 306, могут не течь непосредственно в нагревательный элемент без омывания подложки 430 датчика.
На ФИГ. 4С изображен вид 460 спереди первой поверхности 427 подложки 430 датчика. Первая поверхность 427 чувствительного элемента 312 содержит пару встречно-гребенчатых электродов 404 и 406. Электроды 404 и 406 прикреплены к подложке 430 датчика и выполнены с возможностью улавливания сажи из отработавших газов, вытекающих из отверстия 316 внутренней трубки 306. Пара электродов 404 и 406 пересекает часть изгиба подложки 430 датчика так, что электроды 404 и 406 расположены прямо напротив отверстий 316. В данном случае электроды 404 и 406 могу иметь изгиб, равный изгибу подложки 430. Скопление сажи (например, твердых частиц) может происходить между парой встречно-гребенчатых электродов 404 и 406, причем сажа создает электрическое соединение (например, мостики) между электродами 404 и 406 при достижении порогового скопления сажи. На ФИГ. 4D изображена вторая поверхность 429 чувствительного элемента 312 с нагревательным элементом 428, физически соединенным с подложкой 216 датчика на второй поверхности 429. Вторая поверхность 429 противоположна первой поверхности 427, поэтому нагревательный элемент 428 обращен в направлении, противоположному тому, в котором обращена пара электродов 404 и 406. А именно, первая поверхность 427 обращена к отверстиям 316 на наружной поверхности внутренней трубки 306, а вторая поверхность 429 обращена к внутренней поверхности наружной трубки 308.
Электроды 404 и 406 соединены посредством соединительных проводов соответственно с положительной и отрицательной клеммами источника напряжения 464 электрической цепи 462. Характеристики электрической цепи 462 и соответствующих электронных схем являются теми же, что и характеристики электрической цепи 262, раскрытой на примере ФИГ. 2В. Вкратце, положительный электрод 404 соединен соединительными проводами 470 с положительной клеммой источника напряжения 464 электрической цепи 462. Отрицательный электрод 406 соединен с измерительным устройством 466 посредством соединительного провода 468 и далее соединен с отрицательной клеммой источника напряжения 464 электрической цепи 462. Источником напряжения 464 и измерительным устройством 466 электрической цепи 462 может управлять контроллер, например, контроллер 12 на ФИГ. 1, с возможностью диагностики течей в ФТЧ выше по потоку от датчика отработавших газов (например, ДФТЧ 102 в варианте осуществления на ФИГ. 1) по скоплению твердых частиц на чувствительном элементе 312. Контроллер 12 может быть выполнен с возможностью определения сопротивления между электродами чувствительного элемента 312 как функции результата измерения электрического тока измерительным устройством 466 и выводить из него соответствующее скопление ТЧ или сажи на электродах чувствительного элемента 312. Контролируя их скопление на чувствительном элементе 312, можно определять содержание сажи в отработавших газах ниже по потоку от ДФТЧ, а также диагностировать и контролировать техническое состояние и функционирование ДФТЧ.
Чувствительный элемент 312 также содержит нагревательный элемент 428, сформированный на второй, противоположной, поверхности 429. Согласно ФИГ. 4D, нагревательный элемент 428 может содержать, помимо прочего, датчик температуры и нагреватель. Примерами материалов для нагревателя и датчика температуры, образующих нагревательный элемент, могут служить платина, золото, палладий и т.п.; а также сплавы, оксиды и комбинации, содержащие как минимум один из вышеуказанных материалов, с платиной/оксидом алюминия, платиной/палладием, платиной и палладием. Нагревательный элемент 428 можно использовать для регенерации датчика 302 ТЧ в сборе. А именно, в условиях, когда скопление твердых частиц или сажи на чувствительном элементе 312 выше порогового, можно включить нагревательный элемент для выжигания скопившихся частиц сажи с поверхности чувствительного элемента.
Во время регенерации датчика ТЧ контроллер 12 может подать необходимое для работы нагревательного элемента напряжение на источник 484 напряжения, соединенный с нагревательным элементом соединительными проводами 486 и 488. Кроме того, контроллер может замкнуть выключатель 482 на пороговое время для подачи напряжения через источник 484 напряжения на нагревательный элемент 428 для повышения температуры нагревательного элемента. Затем, когда сенсорные электроды станут достаточны чистыми, контроллер может разомкнуть выключатель 482 для прекращения нагрева нагревательного элемента. Периодическая регенерация чувствительного элемента 312 позволяет возвращать его в состояние (например, незагрязненное или только частично загрязненное), более подходящее для сбора сажи из отработавших газов. Кроме того, из результатов регенерации датчика можно получить достоверную информацию об уровне сажи в отработавших газах с возможностью использования этой информации контроллером для диагностики течей в фильтре твердых частиц.
После поступления к чувствительному элементу 312, где происходит улавливание частиц сажи между электродами, отработавшие газы текут ко второму концу 324 наружной трубки 308, как показано на ФИГ. 3В. На ФИГ. 3В показано, что отработавшие газы движутся по спирали в зазоре 310 между внутренней и наружной трубками и текут ко второму, открытому, концу 324 наружной трубки 308. Отработавшие газы выходят из датчика 302 ТЧ в сборе через второй конец 324 наружной трубки 308 параллельно направлению потока отработавших газов по выпускному каналу 304. Отработавшие газы текут через внутреннюю трубку, выполненную с возможностью ограничения поступления крупных твердых частиц и/или водяных капель в датчик ТЧ в сборе. Это позволяет улучшить измерения для диагностики ФТЧ выше по потоку от датчика ТЧ в сборе благодаря более равномерному оседанию твердых частиц на подложку датчика.
Таким образом, на ФИГ. 1-4С предложена система, представляющая собой пример блока твердых частиц (ТЧ), содержащего: изогнутую трубку с первым, закрытым, концом и вторым, расходящимся раструбом наружу, концом, множество отверстий, сформированных вблизи первого конца, и чувствительный элемент, обращенный в сторону множества отверстий, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от второго конца. Дополнительно или взамен, изогнутая трубка может содержать первую трубку, соединенную со второй, перпендикулярной, трубкой с образованием Г-образной конструкции, при этом первый конец изогнутой трубки сформирован на конце первой трубки, а второй конец изогнутой трубки сформирован на конце второй трубки. Дополнительно или взамен, первый конец может быть соединен непосредственно с выпускным каналом, при этом первая трубка содержит прямой участок постоянного поперечного сечения. Дополнительно или взамен, вторая трубка может содержать прямой участок постоянного поперечного сечения, соединенный со вторым концом изогнутой трубки, при этом второй конец содержит направленную под углом наружу часть с возрастающим поперечным сечением, расположенную в выпускном канале так, что отработавшие газы в выпускном канале меняют направление своего течения на противоположное для поступления в датчик ТЧ в сборе через второй конец. Дополнительно или взамен, первые трубки могут содержать нижнюю перегородку на первом расстоянии от первого конца, при этом нижняя перегородка соединена с первой боковой поверхностью первой трубки и отстоит на первый зазор от второй, противоположной, боковой поверхности первой трубки, при этом длина нижней перегородки меньше диаметра первой трубки, прямоугольный отклонитель с множеством отверстий, при этом ось отклонителя параллельна оси чувствительного элемента, причем чувствительный элемент отстоит на второй зазор от отклонителя, и выход с осью, параллельной оси чувствительного элемента. Дополнительно или взамен, изогнутая трубка может представлять собой внутреннюю трубку, расположенную внутри наружной Г-образной трубки и отделенную от наружной трубки некоторым пространством, при этом наружная трубка содержит третий, закрытый, конец, соединенный с выпускным каналом, и четвертый, открытый, конец, расположенный в выпускном канале, при этом четвертый, открытый, конец расположен вблизи второго конца внутренней трубки. Дополнительно или взамен, наружная трубка может содержать вход выше по потоку от чувствительного элемента, выполненный с возможностью направления отработавших газов из выпускного канала сначала в пространство между наружной трубкой и внутренней трубкой в направлении, параллельном потоку отработавших газов в выпускном канале. Дополнительно или взамен, на нижней по потоку стороне внутренней трубки могут быть сформированы множество отверстий, причем чувствительный элемент расположен в пространстве между внутренней трубкой и наружной трубкой и обращен к множеству отверстий. Дополнительно или взамен, чувствительный элемент может содержать встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке. Дополнительно или взамен, датчик может содержать нагревательный элемент, соединенный с чувствительным элементом, и контроллер с машиночитаемыми командами в долговременной памяти для совершения следующих действий: во время течения отработавших газов, подачи первого напряжения на электроды чувствительного элемента для накопления твердых частиц из отработавших газов между электродами, оценки скопления на датчике по току, возникающему между электродами чувствительного элемента, и, при превышении порогового скопления, подачи второго, другого, напряжения на нагревательный элемент для регенерации чувствительного элемента.
Еще один пример датчика твердых частиц (ТЧ) в сборе может содержать: защитную трубку, содержащую вертикальную часть, соединенную по текучей среде с горизонтальной частью, при этом вертикальная часть соединена с выпускной трубой, и горизонтальную часть, содержащую устройство Вентури, множество отверстий, сформированных в пределах вертикальной части, и чувствительный элемент, расположенный в пределах вертикальной части, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от устройства Вентури, при этом нормаль к чувствительному элементу перпендикулярна поверхности, содержащей указанное множество отверстий. Дополнительно или взамен, устройство Вентури может соединять горизонтальную часть и отогнутый конец, при этом отогнутый конец имеет возрастающее в направлении наружу поперечное сечение, через которое происходит направление отработавших газов в горизонтальную часть, затем к чувствительному элементу через множество отверстий и за пределы датчика через трапециевидный проход, сформированный на вертикальной части, причем множество отверстий сформированы на прямоугольном отклонителе, расположенном внутри вертикальной части между верхним концом вертикальной части и нижней перегородкой, при этом нижняя перегородка расположена на некотором расстоянии от верхнего конца вертикальной части, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на плоской подложке, расположенной внутри вертикальной части между верхним концом и нижней перегородкой. Дополнительно или взамен, защитная трубка может быть расположена в пределах наружной трубки и отделена от наружной трубки некоторым пространством, причем наружная трубка может содержать отверстие, сформированное в области колена защитной трубки, при этом отверстие выполнено с возможностью направления отработавших газов из выпускной трубы сначала в указанное пространство, затем из указанного пространства к устройству Вентури, сформированному на внутренней трубке, к чувствительному элементу через множество отверстий, и затем за пределы датчика через открытый конец наружной трубки, причем множество отверстий может быть сформировано в области вертикальной части выше по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке, при этом чувствительный элемент расположен внутри пространства между защитной трубкой и наружной трубкой.
На ФИГ. 1-4D представлены примеры конфигураций с относительным расположением различных компонентов. Если они показаны непосредственно соприкасающимися друг с другом или непосредственно соединенными, то такие элементы могут считаться непосредственно соприкасающимися или, в соответствующих случаях, непосредственно соединенными, как минимум в одном примере. Аналогичным образом, элементы, показанные смежными или прилегающими друг к другу, могут быть смежными или, в соответствующих случаях, прилегать друг к другу в как минимум одном примере. Например, компоненты, соприкасающиеся друг с другом торцами, могут рассматриваться как находящиеся в соприкосновении по торцу. В качестве другого примера, элементы, расположенные отдельно друг от друга, между которыми находится только какое-либо пространство, но не другие компоненты, могут описываться таким образом в как минимум одном примере. В качестве еще одного примера, элементы, расположенные один над/под другим, или слева/справа друг от друга, могут именоваться соответствующим образом по отношению друг к другу. Кроме того, если какой-либо элемент или точка элемента изображены на фигурах выше всех остальных, то такой элемент или точка могут именоваться «верхом» («верхней частью») компонента, а изображенные ниже всех остальных элемент или точка могут именоваться «низом» («нижней частью», «дном» и т.п.) компонента в как минимум одном примере. В контексте настоящего описания расположение «вверху/внизу», «выше/ниже», «над/под» и т.п. может быть указано относительно вертикальных осей фигур и использовано для описания расположения элементов фигур относительно друг друга. То есть элементы, изображенные над другими, расположены выше этих элементов по вертикали в одном примере. В качестве еще одного примера, элементы, изображенные в той или иной форме на фигурах, могут описываться как имеющие такую форму (например, как «круглые», «прямые», «плоские», «изогнутые», «скругленные», «скошенные», «изогнутые» и т.п.). Кроме того, элементы, показанные пересекающими друг друга, могут именоваться «пересекающимися» элементами или «пересекающими друг друга» элементами. А также, например, элемент, показанный внутри или снаружи другого элемента, может именоваться соответственно «внутренним» или «наружным».
На ФИГ. 5 раскрыт способ 500 для накапливания твердых частиц из потока отработавших газов между сенсорными электродами, расположенными внутри датчика ТЧ (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1, и/или датчика 202 ТЧ в сборе на ФИГ. 2А и 2В, датчика 302 ТЧ в сборе на ФИГ. 3А-3В и 4A-4D). А именно, может происходить направление твердых частицы в потоке отработавших газах в вентуриобразный вход, сформированный на конце изогнутой трубки и далее через множество отверстий к чувствительному элементу. Накопление твердых частиц может происходить между встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на подложке датчика (плоской или изогнутой) чувствительного элемента.
Команды для реализации способа 500 и остальных способов, раскрытых в настоящем описании, может выполнять контроллер в соответствии с командами, хранящимися в памяти контроллера, и во взаимосвязи с сигналами от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примере ФИГ. 1. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы системы двигателя согласно раскрытым ниже способам.
На шаге 502 способа 500 определяют и/или оценивают параметры работы двигателя. Например, в число определяемых параметров работы двигателя могут входить: частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, требуемый водителем крутящий момент, расход отработавших газов, температура двигателя, воздушно-топливное отношение отработавших газов, температура отработавших газов, период (или расстояние) с момента последней регенерации ДФТЧ, скопление ТЧ на датчике ТЧ, уровень наддува, такие условия окружающей среды, как барометрическое давление и температура окружающей среды, и т.п.
Способ 500 следует на шаг 504, на котором происходит изменение направления потока отработавших газов на противоположное для направления отработавших газов из внутреннего пространства выпускного канала к устройству Вентури, сформированному на конце первой части защитной трубки. А именно, устройство Вентури сформировано путем соединения области с возрастающим поперечным сечением с областью с постоянным поперечным сечением. Если устройство Вентури сформировано на нижней по потоку стороне Г-образной защитной трубки, где статическое давление выше, происходит принудительно изменение направления потока отработавших газов в выпускном канале на противоположное для поступления в датчик ТЧ в сборе. В одном примере конфигурации устройство Вентури сформировано на конце единственной Г-образной защитной трубки (например, изогнутой трубки 203 на ФИГ. 2А-2В), при этом изменение направления потока отработавших газов на противоположное включает в себя направление потока отработавших газов внутри Г-образной трубки в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, к чувствительному элементу через множество отверстий на шаге 506. Г-образная трубка содержит первую, горизонтальную, часть, соединенную по текучей среде со второй, вертикальной, частью. В данном случае устройство Вентури сформировано на конце первой части, при этом чувствительный элемент и множество отверстий расположены внутри второй части выше по потоку от устройства Вентури.
В еще одном примере Г-образная трубка с устройством Вентури на нижней по потоку стороне может представлять собой внутреннюю защитную трубку, расположенную в пределах наружной Г-образной защитной трубки (например, датчика 302 ТЧ в сборе на ФИГ. 3A-4D) и отделенную от наружной трубки зазором. В данном случае внутренняя трубка может быть расположена целиком внутри наружной трубки без выступания каких-либо частей за пределы наружной трубки. Кроме того, только внутренняя трубка может содержать устройство Вентури в качестве прохода; наружная трубка может содержать проход, сформированный на верхней по потоку стороне и могущий служить проходом в наружную трубку. Таким образом, устройство Вентури сформировано на конце первой, горизонтальной, части внутренней трубки, а вход сформирован на пересечении горизонтальной и вертикальной частей наружной трубки и обращен в сторону поступающих отработавших газов. В данном случае изменение направления потока отработавших газов на противоположное на шаге 507 может включать в себя направление потока отработавших газов через вход в зазор между внутренней и наружной трубками с последующим направлением потока отработавших газов из зазора к устройству Вентури, сформированному на внутренней трубке.
Затем способ 500 следует на шаг 508. На шаге 508 способ 500 предусматривает увеличение расхода потока отработавших газов через устройство Вентури относительно расхода потока отработавших газов в выпускном канале. В данном случае устройство Вентури представляет собой проход переменного сечения, сформированный путем соединения области возрастающего поперечного сечения с областью постоянного поперечного сечения. По пути из области возрастающего поперечного сечения к области постоянного поперечного сечения отработавшие газы попадают в сужение. В результате, возрастает скорость потока отработавших газов. Таким образом, выполнение прохода Г-образной трубки по форме устройства Вентури обеспечивает увеличение расхода потока отработавших газов внутри Г-образной трубки относительно потока отработавших газов в выпускном канале. В примере конфигурации с устройством Вентури, сформированным на внутренней трубке, расход потока во внутренней трубке выше расхода потока в выпускном канале и потока внутри зазора между внутренней и наружной трубками.
Способ 500 следует на шаг 510. На шаге 510 способ 500 предусматривает направление отработавших газов из первой, горизонтальной, части ко второй, вертикальной, части, в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов в выпускном канале. Геометрия или конструкция Г-образной трубки, содержащая соединенные друг с другом вертикальную и горизонтальную части, обеспечивает принудительное направление отработавших газов внутри горизонтальной части в восходящем направлении (против гравитации) ко второй части.
Способ 500 следует на шаг 512. На шаге 512 способ 500 предусматривает направление потока отработавших газов через множество отверстий к чувствительному элементу, при этом и множество отверстий, и чувствительный элемент расположены внутри второй части Г-образной защитной трубки. В примере с одной защитной трубкой, перед тем, как отработавшие газы внутри второй части достигнут множества отверстий, они могут быть направлены к еще одному сужению. Например, нижняя перегородка может проходить по горизонтали от нижней по потоку стенки защитной трубки, но может не проходить на все расстояние до противоположной, верхней по потоку, стенки. Между концом нижней перегородки и верхней по потоку стенкой может быть зазор или пространство. На данном этапе происходит принудительное направление потока отработавших газов внутри второй части в указанное пространство перед тем, как он достигнет множества отверстий. Множество отверстий могут быть сформированы на прямоугольном отклонителе, при этом продольная ось отклонителя параллельна центральной оси второй части. Кроме того, в непосредственной близости от прямоугольного отклонителя может быть расположен чувствительный элемент. Чувствительный элемент может также быть ориентирован параллельно центральной оси второй части защитной трубки. Чувствительный элемент может содержать электроды, сформированные на протяжении первой поверхности ближе к множеству отверстий. В данном случае электроды могут проходить в направлении, перпендикулярном центральной оси второй части защитной трубки.
В примере конфигурации с защитной трубкой, представляющей собой внутреннюю трубку, расположенную внутри наружной трубки, способ 500 может необязательно содержать шаг, на котором происходит направление потока отработавших газов из второй части внутренней трубки к множеству отверстий, сформированных на нижней по потоку стенке внутренней трубки. Кроме того, в зазоре между внутренней и наружной трубками может быть расположен изогнутый датчик с сенсорными электродами, обращенными к множеству отверстий. Происходит направление потока отработавших газов из множества отверстий к электродам чувствительного элемента.
Способ следует на шаг 514. На шаге 514 способа 500 происходит накопление ТЧ отработавших газов между электродами чувствительного элемента. Как раскрыто выше, чувствительный элемент, содержащий встречно-гребенчатые электроды, расположен на некотором расстоянии от отверстий. В одном примере чувствительный элемент может содержать плоскую подложку с плоскими встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на первой поверхности подложки. В еще одном примере чувствительный элемент может содержать изогнутую подложку с изогнутыми встречно-гребенчатыми электродами, сформированными на первой поверхности подложки. И в случае плоского элемента, и в случае изогнутого элемента, первая поверхность подложки расположена ближе к поверхности, содержащей отверстия. Как разъяснялось выше, электроды могут представлять собой встречно-гребенчатые электроды. Положительные электроды соединены с положительной клеммой источника напряжения, а отрицательные электроды соединены с измерительным устройством и далее с отрицательной клеммой источника напряжения. Когда контроллер подает напряжение на сенсорные электроды, на твердые частицы в области, заключенной между плоскостью отверстий и первой поверхностью чувствительного элемента, может воздействовать сильное электрическое поле, благодаря чему возможно их накопление между электродами. По мере накопления твердых частиц между электродами, в контроллер может поступать сигнал от измерительного устройства. В одном примере сигнал может представлять собой сигнал изменения тока/сопротивления между электродами от измерительного устройства (например, амперметра или омметра). По сигналу от измерительного устройства контроллер может определить скопление на сенсорных электродах. При накоплении твердых частиц на поверхности сенсорных электродов, сопротивление электродов начинает падать, а результат измерения тока измерительным устройством начинает расти. Контроллер может быть выполнен с возможностью выведения скопления на сенсорных электродах из результата измерения тока между электродами. Или же контроллер может определять скопление с помощью табулированной зависимости, входными параметрами которой являются ток/сопротивление между электродами. Затем способ 500 следует на шаг 516.
На шаге 516 способа 500 происходит направление отработавших газов из защитной трубки через выход, содержащий проход, сформированный на защитной трубке. В одном примере указанный выход может представлять собой трапециевидный проход, сформированный на второй части защитной трубки вблизи чувствительного элемента.
В примере, где защитная трубка включает в себя внутреннюю и наружную трубки, способ содержит шаг, на котором происходит направление отработавших газов из внутренней защитной трубки в зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой на шаге 517. Кроме того, происходит направление отработавших газов за пределы датчика ТЧ в сборе через проход, сформированный на наружной трубке. В данном случае проход может быть сформирован на конце горизонтальной части наружной трубки. Указанный конец может быть расположен ниже по потоку от чувствительного элемента и на удалении от чувствительного элемента. Способ 500 следует на шаг 518.
На шаге 518 способ 500 предусматривает периодическую проверку наступления условий для регенерации чувствительного элемента. А именно, когда скопление сажи на чувствительном элементе превысит пороговое, или когда сопротивление чувствительного элемента (с поправкой на температуру) упадет до порогового, или когда ток чувствительного элемента превысит пороговый, можно считать, что имеют место условия для регенерации датчика. В некоторых примерах, можно считать, что имеют место условия для регенерации, если прошло пороговое время с предыдущей регенерации датчика. Регенерация чувствительного элемента может быть нужна для продолжения обнаружения ТЧ.
Если имеют место условия для регенерации (например, ответ «ДА» на шаге 518), способ 500 следует на шаг 520, на котором может быть выполнена регенерация чувствительного элемента способом, раскрытым на ФИГ. 6. Вкратце, регенерация чувствительного элемента может быть запущена путем нагрева датчика. Например, датчик можно нагреть, включив нагревательный элемент, сформированный на поверхности чувствительного элемента, противоположной поверхности, содержащей электроды. В данном случае контроллер может замкнуть выключатель в цепи регенерации, тем самым подав напряжение на нагревательный элемент, в связи с чем происходит нагрев нагревательных элементов. Кроме того, контроллер может не подавать напряжение на сенсорные электроды во время регенерации датчика. То есть сенсорные электроды могут не накапливать сажу во время регенерации датчика. Нагревательный элемент может находиться во включенном состоянии до тех пор, пока не произойдет достаточное уменьшение скопления сажи на датчике за счет окисления частиц углерода между электродами. Выполнение способа 500 завершают. При этом, если условия для регенерации датчика ТЧ отсутствуют (например, «НЕТ» на шаге 518), способ следует на шаг 522, на котором может быть продолжен сбор твердых частиц на сенсорных электродах, и способ совершает возврат на шаг 518.
Таким образом, пример способа содержит шаги, на которых: происходит изменение направления потока отработавших газов на противоположное для направления отработавших газов из выпускного канала к устройству Вентури, при этом устройство Вентури сформировано на конце первой части защитной трубки, и направление потока отработавших газов из устройства Вентури к чувствительному элементу через множество отверстий, при этом чувствительный элемент расположен в пределах второй части защитной трубки выше по потоку от устройства Вентури. Дополнительно или взамен, способ содержит шаг, на котором происходит увеличение расхода потока отработавших газов через устройство Вентури относительно расхода потока отработавших газов в выпускном канале, причем устройство Вентури представляет собой проход переменного сечения, сформированный путем соединения области возрастающего поперечного сечения с областью постоянного поперечного сечения. Дополнительно или взамен, указанное направление потока включает в себя направление потока отработавших газов из устройства Вентури в первую часть защитной трубки в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, направление отработавших газов из первой части во вторую часть защитной трубки в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, при этом вторая часть соединена по текучей среде с первой частью и перпендикулярна ей, направление потока отработавших газов через множество отверстий к чувствительному элементу и направление отработавших газов из защитной трубки через выход. Дополнительно или взамен, множество отверстий могут быть сформированы на отклонителе, при этом отклонитель соединен с нижней пластиной, при этом нижняя пластина и отклонитель расположены в пределах указанной второй части, причем чувствительный элемент может быть соединен с нижней пластиной и обращен в сторону множества отверстий. Дополнительно или взамен, защитная трубка может представлять собой внутреннюю трубку, расположенную в пределах наружной трубки. Дополнительно или взамен, указанное направление потока включает в себя направление потока отработавших газов в зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой через вход, сформированный на наружной трубке, при этом вход расположен выше по потоку от устройства Вентури и чувствительного элемента, с последующим направлением потока отработавших газов в устройство Вентури. Дополнительно или взамен, множество отверстий могут быть сформированы на поверхности внутренней трубки, поверхности выше по потоку от устройства Вентури и поверхности ниже по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент является изогнутым и расположен в зазоре между внутренней и наружной трубками.
На ФИГ. 6 раскрыт способ 600 для регенерации датчика ТЧ (например, датчика 106 ТЧ на ФИГ. 1, и/или датчика 202 ТЧ в сборе на ФИГ. 2). А именно, когда скопление сажи на датчике ТЧ выше порогового, или сопротивление датчика ТЧ с поправкой на температуру падает до порогового, можно считать, что имеют место условия для регенерации датчика ТЧ, и может быть нужна регенерация датчика ТЧ для продолжения обнаружения ТЧ. На шаге 602 можно запустить регенерацию датчика ТЧ и выполнить ее путем нагревания датчика на шаге 604. Контроллер может оставить нагревательный элемент во включенном состоянии до тех пор, пока скопление сажи на датчике в достаточной степени не сократиться благодаря окислению частиц углерода между электродами. Регенерацией датчика ТЧ обычно управляют с помощью таймеров, при этом таймер может быть установлен на пороговый период на шаге 602. Или же регенерацией датчика можно управлять, измеряя температуру наконечника датчика, или регулируя подачу мощности на нагреватель, либо используя все указанные способы. Если для регенерации датчика ТЧ используют таймер, на шаге 606 способа 600 проверяют, истек ли пороговый период. Если пороговый период не истек (например, "НЕТ" на шаге 606), способ 600 следует на шаг 608, на котором цепь регенерации можно оставить в состоянии «ВКЛЮЧЕНО» («ВКЛ.») для продолжения регенерации. Если пороговый период истек (например, «ДА» на шаге 606), способ 600 следует на шаг 610, на котором регенерацию датчика ТЧ можно прекратить и выключить электрическую цепь на шаге 612. Кроме того, сенсорные электроды можно охладить, например, до температуры отработавших газов. Способ 600 следует на шаг 614, на котором можно обновить значения скопления ТЧ на датчике и историю регенерации и сохранить их в памяти. Например, можно обновить данные о частоте регенерации датчика ТЧ и/или среднем интервале между регенерациями датчика, после чего выполнение способа завершают.
Выпускной канал двигателя может содержать один или несколько датчиков ТЧ, расположенных выше и/или ниже по потоку от ДФТЧ, для определения скопления сажи в ДФТЧ. Если датчик ТЧ расположен выше по потоку от ДФТЧ, по изменению сопротивления после осаждения сажи на множестве электродов датчика ТЧ можно определять скопление сажи на датчике. По результату определения скопления сажи можно, например, обновить значение скопления сажи в ДФТЧ. Если скопление сажи в ДФТЧ превышает порог для регенерации ДФТЧ, контроллер может отрегулировать параметры работы двигателя для регенерации ДФТЧ. А именно, если имеют место условия для регенерации фильтра, можно повысить температуру фильтра (или вблизи фильтра) до уровня, достаточного для выжигания накопленной сажи. Указанное повышение может включать в себя включение нагревателя, соединенного с ДФТЧ, или повышение температуры отработавших газов двигателя (например, за счет работы на богатой смеси), направляемых в ДФТЧ.
На ФИГ. 7 раскрыт пример способа 700 для диагностики функционирования ДФТЧ по межрегенерационному интервалу датчика ТЧ. На шаге 702 контроллер может вычислить путем калибровки межрегенерационный интервал t(i)_regen для датчика ТЧ, представляющий собой интервал, измеряемый с окончания предыдущей регенерации до начала текущей регенерации датчика ТЧ. На шаге 704 сравнивают t(i)_regen с t(i-1)_regen, при этом последний представляет собой предыдущий калиброванный интервал регенерации датчика ТЧ. Из этого можно сделать вывод о том, что датчик сажи может неоднократно проходить цикл регенерации для диагностики ДФТЧ. Если t(i)_regen меньше половины значения t(i-1)_regen, то на шаге 708 указывают наличие течи из ДФТЧ, и подают сигнал ухудшения характеристик ДФТЧ. Вместо вышеуказанного процесса или в дополнение к нему, диагностику ДФТЧ можно осуществлять, используя другие параметры, например: температуру отработавших газов, частоту вращения/нагрузку двигателя и т.п. Сигнал ухудшения характеристик может быть подан, например, с помощью индикаторной лампы неисправности или диагностического кода. Кроме того, способ 700 предусматривает регулирование параметров работы двигателя в связи с указанием наличия течи в ДФТЧ на шаге 710. Регулирование параметров работы двигателя может, например, включать в себя ограничение крутящего момента двигателя на шаге 712. В одном примере, в связи с выявлением течи в ДФТЧ можно уменьшить мощность и крутящий момент двигателя. Уменьшение мощности и крутящего момента двигателя позволяет уменьшить содержание ТЧ в отработавших газах. Например, регулирование параметров работы двигателя может включать в себя уменьшение подачи топлива в дизельный двигатель в условиях высокой нагрузки, в связи с чем происходит уменьшение крутящего момента. Дополнительно или взамен, в связи с выявлением течи в ДФТЧ, можно сократить использование РОГ. Дополнительно или взамен, на приборную панель можно вывести предупредительный сигнал для указания расстояния, которое транспортное средство может пройти до проверки работы ДФТЧ.
Если текущий межрегенерационный интервал составляет менее половины предыдущего межрегенерационного интервала, это может указывать на то, что время достижения электрической цепью порога R_regen стало значительно короче, то есть возросла частота регенерации. Возросшая частота регенерации датчика ТЧ может свидетельствовать о том, что содержание твердых частиц в исходящем потоке отработавших газов выше того, что имеет место при нормальном функционировании ДФТЧ. То есть, если изменение межрегенерационного интервала датчика сажи достигает порога t_regen, при котором текущий межрегенерационный интервал датчика ТЧ меньше половины предыдущего межрегенерационного интервала, указывают наличие ухудшения характеристик ДФТЧ или течи из него, например, путем визуального отображения для водителя и/или установки флага состояния, сохраняемого в долговременной памяти, соединенной с процессорным устройством, с возможностью отправки в диагностическое устройство, соединенное с процессорным устройством. Если изменение межрегенерационного интервала датчика сажи не достигает порога t_regen, на шаге 706 не указывают наличие течи в ДФТЧ. Так можно выявлять течи в фильтре твердых частиц, расположенном выше по потоку от датчика твердых частиц, по интенсивности осаждения твердых частиц на электродах датчика твердых частиц.
Обратимся к ФИГ. 8, представляющей собой схему 800, иллюстрирующую пример зависимости между скоплением сажи на датчике ТЧ и скоплением сажи в фильтре твердых частиц. А именно, схема 800 графически иллюстрирует зависимость между регенерацией датчика ТЧ и скоплением сажи в ДФТЧ, в частности то, как регенерация датчика ТЧ может указывать на ухудшение характеристик ДФТЧ. Вертикальные метки t0, t1, t2, t3, t4, t5 и t6 обозначают значимые моменты в работе и системе датчика ТЧ и ДФТЧ.
Первая кривая на ФИГ. 8 отражает скопление сажи на датчике ТЧ. Например, как раскрыто выше, осаждение ТЧ происходит между положительными и отрицательными электродами, сформированными на пластине, расположенной внутри ступенчатого датчика. По мере скопления сажи результат измерения тока между электродами начинает расти (или сопротивление электродов начинает падать). Контроллер выполнен с возможностью определения скопления сажи (кривая 802) по результату измерения тока/сопротивления. Скопление сажи находится на низшем уровне в нижней части кривых и возрастает в вертикальном направлении к верхней части кривой. Горизонтальное направление представляет время, значения которого увеличиваются с левой стороны кривой к правой стороне кривой. Горизонтальная метка 806 представляет пороговое скопление для регенерации датчика ТЧ в верхней кривой. Кривая 804 отражает скопление сажи в ДФТЧ, а горизонтальная метка 808 представляет пороговое скопление сажи в ДФТЧ на второй кривой.
Между t0 и t1 показан цикл регенерации датчика ТЧ. В момент t0 датчик ТЧ находится в относительно чистом состоянии, на что указывает низкий уровень скопления ТЧ по результату измерения (кривая 802). Контроллер, соединенный с датчиком ТЧ, определяет скопление сажи датчика ТЧ, например, по результату измерения тока/сопротивления между сенсорными электродами. Когда контроллер устанавливает, что скопление сажи невелико, он может направить команды на цепь регенерации для прекращения подачи тепла, чтобы цепь обнаружения могла начать обнаружение скопления ТЧ. По мере роста скопления ТЧ на датчике, происходит накопление сажи в зазоре между сенсорными электродами.
Между t0 и t1 датчик ТЧ продолжает накапливать сажу (кривая 802), в связи с чем растет ее содержание в нем, как и скопление сажи на ДФТЧ (кривая 804). В некоторых примерах скопление сажи в ДФТЧ можно определять по скоплению ТЧ на датчике, например, если датчик ТЧ расположен выше по потоку от ДФТЧ.
В момент t1 скопление сажи на датчике ТЧ (кривая 802) достигает порога скопления для регенерации датчика ТЧ (метка 806). Порог скопления может представлять собой порог, при котором может быть нужна регенерация датчика. В момент t1 может быть запущена регенерация датчика ТЧ, как раскрыто выше. Вкратце, контроллер может замкнуть выключатель в электрической цепи для подачи напряжения на нагревательные элементы, сформированные, например, на протяжении внутренней поверхности центрального элемента. Кроме того, датчик ТЧ может не работать в режиме накапливания ТЧ, то есть контроллер может не подавать какое-либо напряжение на сенсорные электроды.
Таким образом, между t1 и t2 может происходить регенерация датчика ТЧ путем включения электрической цепи для регенерации. В момент t2 температура датчика ТЧ может быть достаточно низкой, поэтому он может начать накапливать сажу и продолжить ее накопление между t2 и t3 (цикл регенерации ДФТЧ), например. В период между t2 и t3 скопление сажи в ДФТЧ продолжает расти (кривая 804). При этом в момент t3 скопление сажи в ДФТЧ (кривая 804) достигает порога скопления сажи для регенерации ДФТЧ (метка 808). Между t3 и t4 может происходить регенерация ДФТЧ для выжигания сажи, осевшей в ДФТЧ. Далее, в момент t4, можно сравнить частоту регенерации датчика ТЧ с предыдущим результатом оценки частоты регенерации датчика ТЧ. Если частота регенерации датчика ТЧ осталась аналогичной частоте в предыдущих циклах, можно установить отсутствие течи в ДФТЧ. Таким образом, по выходным сигналам датчика ТЧ можно контролировать техническое состояние ДФТЧ и диагностировать его на наличие течей.
Между t5 и t6 показан еще один цикл ДФТЧ. В этом случае между t5 и t6 скопление сажи на ДФТЧ постепенно растет (кривая 804). В этот период может происходить контроль скопления сажи на датчике ТЧ (кривая 802). Как видно из кривой 802, датчик ТЧ проходит несколько циклов регенерации, как раскрыто выше. При этом частота регенерации датчика ТЧ возросла почти вдвое (кривая 802). Увеличение частоты регенерации датчика ТЧ может указывать на то, что исходящий поток отработавших газов содержит большее количество твердых частиц, чем при нормальном функционировании ДФТЧ. Поэтому в момент t6 может быть указано наличие течи в ДФТЧ.
Так можно повысить достоверность измерения содержания ТЧ в отработавших газах и, тем самым, определения скопления сажи в ДФТЧ. Это повышает эффективность операций регенерации фильтра. Кроме того, обеспечив возможность более достоверной диагностики ДФТЧ в выпускной системе, можно улучшить показатели в части соблюдения нормативов выбросов. Это позволяет снизить высокие затраты по гарантийным обязательствам на замену работоспособных фильтров твердых частиц и увеличить срок службы компонентов выпускной системы. Технический эффект, достигаемый формированием устройства Вентури на нижней по потоку стороне Г-образной защитной трубки, состоит в увеличении скорости отработавших газов при их прохождении через устройство Вентури в соответствии с эффектом Вентури. Увеличение скорости потока отработавших газов в датчик ТЧ в сборе позволяет повысить интенсивность улавливания частиц сажи из отработавших газов между электродами чувствительного элемента. Благодаря этому, выходной сигнал датчика ТЧ в сборе может достоверно отражать количество частиц сажи в потоке через расположенный выше по потоку фильтр твердых частиц. Так можно улучшить функционирование датчика ТЧ в сборе в части оценки фильтрующей способности ДФТЧ (и, тем самым, выявления течей ДФТЧ). Кроме того, при направлении потока отработавших газов из нижней по потоку стороны Г-образной защитной трубки, водяные капли и/или крупные твердые частицы могут продолжать течь мимо устройства Вентури, не меняя направления своего течения для поступления в устройство Вентури. Это позволяет защитить чувствительный элемент от попадания водяных капель и крупных твердых частиц. В целом, можно улучшить функционирование датчика ТЧ в сборе и повысить достоверность выходного сигнала датчика ТЧ.
В раскрытых выше системах и способах предложен датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, содержащий: изогнутую трубку с первым, закрытым, концом и вторым, расходящимся раструбом наружу, концом, множество отверстий, сформированных вблизи первого конца, и чувствительный элемент, обращенный в сторону множества отверстий, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от второго конца. В первом примере датчика твердых частиц в сборе, датчик может, дополнительно или взамен, отличаться тем, что изогнутая трубка содержит первую трубку, соединенную со второй, перпендикулярной, трубкой с образованием Г-образной конструкции, при этом первый конец изогнутой трубки сформирован на конце первой трубки, а второй конец изогнутой трубки сформирован на конце второй трубки. Второй пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый пример и отличается тем, что первый конец соединен непосредственно с выпускным каналом, при этом первая трубка содержит прямой участок постоянного поперечного сечения. Третий пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый и/или второй примеры и отличается тем, что вторая трубка содержит прямой участок постоянного поперечного сечения, соединенный со вторым концом изогнутой трубки, при этом второй конец содержит направленную под углом наружу часть с возрастающим поперечным сечением, расположенную в выпускном канале так, что отработавшие газы в выпускном канале меняют направление своего течения на противоположное для поступления в датчик ТЧ в сборе через второй конец. Четвертый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по третий и отличается тем, что первая трубка содержит нижнюю перегородку на первом расстоянии от первого конца, при этом нижняя перегородка соединена с первой боковой поверхностью первой трубки и отстоит на первый зазор от второй, противоположной, боковой поверхности первой трубки, при этом длина нижней перегородки меньше диаметра первой трубки, прямоугольный отклонитель с множеством отверстий, при этом продольная ось отклонителя параллельна продольной оси чувствительного элемента, причем чувствительный элемент отстоит на второй зазор от отклонителя, и выход с продольной осью, параллельной продольной оси чувствительного элемента. Пятый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый и отличается тем, что изогнутая трубка представляет собой внутреннюю трубку, расположенную внутри наружной Г-образной трубки и отделенную от наружной трубки некоторым пространством, при этом наружная трубка содержит третий, закрытый, конец, соединенный с выпускным каналом, и четвертый, открытый, конец, расположенный в выпускном канале, при этом четвертый, открытый, конец расположен вблизи второго конца внутренней трубки. Шестой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый и отличается тем, что наружная трубка содержит вход выше по потоку от чувствительного элемента, выполненный с возможностью направления отработавших газов из выпускного канала сначала в пространство между наружной трубкой и внутренней трубкой в направлении, параллельном потоку отработавших газов в выпускном канале. Седьмой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по шестой и отличается тем, что множество отверстий сформированы на нижней по потоку стороне внутренней трубки, причем чувствительный элемент расположен в пространстве между внутренней трубкой и наружной трубкой и обращен к множеству отверстий. Восьмой пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по седьмой и отличается тем, что чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке. Девятый пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по восьмой и дополнительно содержит нагревательный элемент, соединенный с чувствительным элементом, и контроллер с машиночитаемыми командами в долговременной памяти для совершения следующих действий: во время течения отработавших газов, подачи первого напряжения на электроды чувствительного элемента для накопления твердых частиц из потока отработавших газов между электродами, оценки скопления на датчике по току, возникающему между электродами чувствительного элемента, и при превышении порогового скопления, подачи второго, другого, напряжения на нагревательный элемент для регенерации чувствительного элемента.
В раскрытых выше системах и способах также предложен способ, содержащий шаги, на которых: происходит изменение направления потока отработавших газов на противоположное для направления отработавших газов из выпускного канала к устройству Вентури, при этом устройство Вентури сформировано на конце первой части защитной трубки, и направление потока отработавших газов из устройства Вентури к чувствительному элементу через множество отверстий, при этом чувствительный элемент расположен в пределах второй части защитной трубки выше по потоку от устройства Вентури. В первом примере способ может дополнительно или взамен содержать шаг, на котором происходит увеличение расхода потока отработавших газов через устройство Вентури относительно расхода потока отработавших газов в выпускном канале, причем устройство Вентури представляет собой проход переменного сечения, сформированный путем соединения области возрастающего поперечного сечения с областью постоянного поперечного сечения. Второй пример способа необязательно включает в себя первый пример и отличается тем, что указанное направление потока включает в себя направление потока отработавших газов из устройства Вентури в первую часть защитной трубки в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, направление отработавших газов из первой части во вторую часть защитной трубки в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, при этом вторая часть соединена по текучей среде с первой частью и перпендикулярна ей, направление потока отработавших газов через множество отверстий к чувствительному элементу и направление отработавших газов из защитной трубки через выход. Третий пример способа необязательно включает в себя первый и/или второй примеры и отличается тем, что множество отверстий сформированы на отклонителе, при этом отклонитель соединен с нижней пластиной, при этом нижняя пластина и отклонитель расположены в пределах указанной второй части, причем чувствительный элемент соединен с нижней пластиной и обращен в сторону множества отверстий. Четвертый пример способа необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по третий и отличается тем, что защитная трубка представляет собой внутреннюю трубку, расположенную в пределах наружной трубки. Пятый пример способа необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по четвертый и отличается тем, что указанное направление потока включает в себя направление потока отработавших газов в зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой через вход, сформированный на наружной трубке, при этом вход расположен выше по потоку от устройства Вентури и чувствительного элемента, с последующим направлением потока отработавших газов в устройство Вентури. Шестой пример способа необязательно включает в себя один или несколько примеров с первого по пятый и отличается тем, что множество отверстий сформированы на поверхности внутренней трубки, при этом поверхность расположена выше по потоку от устройства Вентури и ниже по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент является изогнутым и расположен в зазоре между внутренней и наружной трубками.
В раскрытых выше системах и способах также предложен датчик твердых частиц, содержащий: датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, содержащий защитную трубку, содержащую вертикальную часть, соединенную по текучей среде с горизонтальной частью, при этом вертикальная часть соединена с выпускной трубой, и горизонтальную часть, содержащую устройство Вентури, множество отверстий, сформированных в пределах вертикальной части, и чувствительный элемент, расположенный в пределах вертикальной части, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от устройства Вентури, при этом нормаль к чувствительному элементу перпендикулярна поверхности, содержащей указанное множество отверстий. В первом примере датчика твердых частиц в сборе, датчик может, дополнительно или взамен, отличаться тем, что при помощи устройства Вентури соединены горизонтальная часть и отогнутый конец, при этом отогнутый конец имеет возрастающее в направлении наружу поперечное сечение, которое обеспечивает направление отработавших газов в горизонтальную часть, а затем к чувствительному элементу через множество отверстий и за пределы датчика через трапециевидный проход, сформированный на вертикальной части, причем множество отверстий сформированы на прямоугольном отклонителе, расположенном внутри вертикальной части между верхним концом вертикальной части и нижней перегородкой, при этом нижняя перегородка расположена на некотором расстоянии от верхнего конца вертикальной части, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на плоской подложке, расположенной внутри вертикальной части между верхним концом и нижней перегородкой. Второй пример датчика твердых частиц необязательно включает в себя первый пример и отличается тем, что защитная трубка расположена в пределах наружной трубки и отделена от наружной трубки некоторым пространством, причем наружная трубка содержит отверстие, сформированное в области изгиба («колена») наружной трубки, при этом отверстие выполнено с возможностью направления отработавших газов из выпускной трубы сначала в указанное пространство, из указанного пространства к устройству Вентури, сформированному на внутренней трубке, к чувствительному элементу через множество отверстий, а затем за пределы датчика через открытый конец наружной трубки, причем множество отверстий сформированы в области вертикальной части, расположенной выше по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке, при этом чувствительный элемент расположен внутри пространства между защитной трубкой и наружной трубкой.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящем описании способы и алгоритмы управления можно хранить в виде исполняемых команд в долговременной памяти и могут реализовываться системой управления, содержащей контроллер, во взаимодействии с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами системы двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия реализуют путем выполнения команд, содержащихся в системе, содержащей вышеупомянутые технические средства в составе двигателя, взаимодействующие с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.
Предложены способы и системы для датчика твердых частиц (ТЧ) в сборе, расположенного ниже по потоку от дизельного фильтра твердых частиц в выпускной системе двигателя внутреннего сгорания. В одном примере датчик ТЧ в сборе может содержать изогнутую трубку с первым, верхним по потоку, концом, соединенным с выпускным каналом, и вторым, расходящимся раструбом наружу, концом на нижнем по потоку конце датчика. Таким образом, второй конец изогнутой трубки может образовывать устройство Вентури, служащее для блокирования попадания крупных твердых частиц в датчик и дополнительно служащее для увеличения расхода потока отработавших газов в датчик в сборе. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 14 ил.
1. Датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, содержащий:
изогнутую трубку, расположенную внутри выпускного канала и содержащую первый, закрытый, конец, соединенный с выпускным каналом, и второй, расходящийся раструбом наружу, конец, содержащий направленную под углом наружу часть внутри выпускного канала;
множество отверстий, сформированных вблизи первого конца; и
чувствительный элемент, обращенный в сторону множества отверстий, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от второго конца.
2. Датчик ТЧ в сборе по п. 1, в котором изогнутая трубка содержит первую трубку, соединенную со второй, перпендикулярной, трубкой с образованием L-образного элемента, при этом первый конец изогнутой трубки сформирован на конце первой трубки, а второй конец изогнутой трубки сформирован на конце второй трубки.
3. Датчик ТЧ в сборе по п. 2, в котором первый конец соединен непосредственно с выпускным каналом, при этом первая трубка содержит прямой участок постоянного поперечного сечения.
4. Датчик ТЧ в сборе п. 3, в котором вторая трубка содержит прямой участок постоянного поперечного сечения, соединенный со вторым концом изогнутой трубки, при этом направленная под углом наружу часть имеет возрастающее поперечное сечение и расположена в выпускном канале так, что отработавшие газы в выпускном канале имеют возможность изменения направления своего течения на противоположное для поступления в датчик ТЧ в сборе через второй конец.
5. Датчик ТЧ в сборе по п. 2, в котором первая трубка содержит:
нижнюю перегородку на первом расстоянии от первого конца изогнутой трубки, при этом нижняя перегородка соединена с первой боковой поверхностью первой трубки и отстоит на первый зазор от второй, противоположной, боковой поверхности первой трубки, при этом длина нижней перегородки меньше диаметра первой трубки, причем нижняя перегородка делит первую трубку на верхнюю камеру и нижнюю камеру;
прямоугольный отклонитель с множеством отверстий, при этом продольная ось отклонителя параллельна продольной оси чувствительного элемента, причем чувствительный элемент отстоит на второй зазор от отклонителя, причем отклонитель и чувствительный элемент расположены внутри верхней камеры первой трубки; и
выход, продольная ось которого параллельна продольной оси чувствительного элемента.
6. Датчик ТЧ в сборе по п. 1, в котором изогнутая трубка представляет собой внутреннюю трубку, расположенную внутри наружной L-образной трубки и отделенную от наружной трубки некоторым пространством, при этом наружная трубка содержит третий, закрытый, конец, соединенный с выпускным каналом, и четвертый, открытый, конец, расположенный в выпускном канале, при этом четвертый, открытый, конец расположен вблизи второго конца внутренней трубки.
7. Датчик ТЧ в сборе по п. 6, в котором наружная трубка содержит вход выше по потоку от чувствительного элемента, выполненный с возможностью направления отработавших газов из выпускного канала в пространство между наружной трубкой и внутренней трубкой в направлении, параллельном потоку отработавших газов в выпускном канале.
8. Датчик ТЧ в сборе по п. 6, в котором множество отверстий сформированы на нижней по потоку стороне внутренней трубки, причем чувствительный элемент расположен в пространстве между внутренней трубкой и наружной трубкой и обращен в сторону множества отверстий.
9. Датчик ТЧ в сборе по п. 1, в котором чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке.
10. Датчик ТЧ в сборе по п. 1, дополнительно содержащий:
нагревательный элемент, соединенный с чувствительным элементом, причем датчик ТЧ в сборе соединен с контроллером, содержащим машиночитаемые команды в долговременной памяти, которые при исполнении процессором приводят к совершению контроллером следующих действий:
во время течения отработавших газов, подачи первого напряжения на электроды чувствительного элемента для накопления твердых частиц из потока отработавших газов между электродами;
оценки скопления на датчике ТЧ в сборе по току, возникающему между электродами чувствительного элемента; и
в ответ на превышение порогового скопления, подачи второго, другого, напряжения на нагревательный элемент для регенерации чувствительного элемента.
11. Способ, содержащий шаги, на которых:
меняют направление потока отработавших газов на противоположное через устройство Вентури, сформированное на конце первой горизонтальной части L-образной защитной трубки внутри выпускного канала для направления отработавших газов из выпускного канала к устройству Вентури; и
обеспечивают протекание потока отработавших газов из устройства Вентури к чувствительному элементу через множество отверстий, при этом чувствительный элемент расположен внутри второй вертикальной части защитной трубки выше по потоку от устройства Вентури.
12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий шаг, на котором увеличивают расход отработавших газов через устройство Вентури относительно расхода отработавших газов в выпускном канале, причем устройство Вентури представляет собой проход переменного сечения, сформированный путем соединения области возрастающего поперечного сечения с областью постоянного поперечного сечения.
13. Способ по п. 11, в котором обеспечение протекания отработавших газов от устройства Вентури к чувствительному элементу включает в себя следующие шаги:
обеспечивают протекание потока отработавших газов из устройства Вентури в первую часть защитной трубки в направлении, противоположном направлению потока отработавших газов в выпускном канале;
направляют отработавшие газы из первой части во вторую часть защитной трубки в направлении, перпендикулярном направлению потока отработавших газов в выпускном канале, при этом вторая часть соединена по текучей среде с первой частью и перпендикулярна ей;
направляют поток отработавших газов через множество отверстий к чувствительному элементу; и направляют отработавшие газы из защитной трубки через выход.
14. Способ по п. 11, в котором множество отверстий сформированы на отклонителе, при этом отклонитель соединен с нижней пластиной, при этом нижняя пластина и отклонитель расположены внутри указанной второй части, при этом нижняя пластина соединена с первой боковой поверхностью второй части и отстоит на первый зазор от второй, противоположной, боковой поверхности второй части, причем чувствительный элемент соединен с нижней пластиной и обращен в сторону множества отверстий, причем в способе дополнительно увеличивают расход отработавших газов через первый зазор.
15. Способ по п. 11, в котором защитная трубка представляет собой внутреннюю трубку, расположенную внутри наружной трубки.
16. Способ по п. 15, в котором обеспечение протекания отработавших газов от устройства Вентури к чувствительному элементу дополнительно включает в себя обеспечение протекания потока отработавших газов в зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой через вход, сформированный на наружной трубке, при этом вход расположен выше по потоку от устройства Вентури и чувствительного элемента, с последующим протеканием отработавших газов в устройство Вентури.
17. Способ по п. 16, в котором множество отверстий сформировано на поверхности внутренней трубки, при этом указанная поверхность расположена выше по потоку от устройства Вентури и ниже по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент является изогнутым и расположен в зазоре между внутренней трубкой и наружной трубкой.
18. Датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, содержащий:
защитную трубку, содержащую вертикальную часть, соединенную по текучей среде с горизонтальной частью, при этом вертикальная часть соединена с выпускной трубой, а горизонтальная часть содержит устройство Вентури;
множество отверстий, сформированных на поверхности, расположенной внутри вертикальной части; и
чувствительный элемент, расположенный внутри вертикальной части, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от устройства Вентури, а нормаль к чувствительному элементу перпендикулярна поверхности, содержащей указанное множество отверстий, причем при помощи устройства Вентури соединены горизонтальная часть и открывающийся конец, при этом открывающийся конец имеет возрастающее в направлении наружу поперечное сечение, которое обеспечивает направление отработавших газов в горизонтальную часть, а затем к чувствительному элементу через множество отверстий и за пределы датчика через трапециевидный проход, сформированный на вертикальной части, причем множество отверстий сформировано на прямоугольном отклонителе, расположенном внутри вертикальной части между верхним концом вертикальной части и нижней перегородкой, при этом нижняя перегородка расположена на некотором расстоянии от верхнего конца вертикальной части, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на плоской подложке, расположенной внутри вертикальной части между верхним концом и нижней перегородкой.
19. Датчик твердых частиц (ТЧ) в сборе, содержащий:
защитную трубку, содержащую вертикальную часть, соединенную по текучей среде с горизонтальной частью, при этом вертикальная часть соединена с выпускной трубой, а горизонтальная часть содержит устройство Вентури;
множество отверстий, сформированных на поверхности, расположенной внутри вертикальной части; и
чувствительный элемент, расположенный внутри вертикальной части, при этом чувствительный элемент расположен выше по потоку от устройства Вентури, а нормаль к чувствительному элементу перпендикулярна поверхности, содержащей указанное множество отверстий, причем защитная трубка расположена внутри наружной трубки и отделена от наружной трубки пространством, причем наружная трубка содержит отверстие, сформированное в области изгиба наружной трубки, при этом указанное отверстие выполнено с возможностью направления отработавших газов из выпускной трубы сначала в указанное пространство, затем из указанного пространства к устройству Вентури, сформированному на защитной трубке, затем к чувствительному элементу через множество отверстий, а затем за пределы датчика твердых частиц (ТЧ) в сборе через открытый конец наружной трубки, причем множество отверстий сформировано в области вертикальной части, расположенной выше по потоку от чувствительного элемента, причем чувствительный элемент содержит встречно-гребенчатые электроды, сформированные на изогнутой подложке, при этом чувствительный элемент расположен внутри пространства между защитной трубкой и наружной трубкой.
| US 2015355067 A1, 10.12.2015 | |||
| 0 |
|
SU151153A1 | |
| US 2016047732 A1, 18.02.2016 | |||
| US 2011109331 A1, 12.05.2011 | |||
| US 2015355066 A1, 10.12.2015. | |||
