JP2016109512A - センサ及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なセンサ及び内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１００の排気通路１１０に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、排気通路１１０に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極３２，３３を設け、一対の電極３２，３３間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段４２を備えた静電容量式のセンサからなり、推定手段４２が推定した粒子状物質量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部２を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ及び内燃機関の制御装置に関するものであり、特に、排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサ及び内燃機関の制御装置に関するものである。

従来、内燃機関から排出される排気中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、内燃機関の制御を行うにあたっては、使用する燃料に応じて適切な制御を行うことが望まれる。具体的には、標準的な燃料以外の燃料、例えば、バイオ燃料や粗悪燃料等を使用した場合にも、使用する燃料性状に応じた適切な制御を行うことが望まれる。

特許文献２では、パティキュレートフィルタの下流側に配置されたＰＭセンサにおいて、給油後のセンサ再生完了時のＰＭ量を検出し、この値が給油前のセンサ再生完了時のＰＭ量より大きい場合には、燃料の給油によるセタン価の低下が原因と判定する点が開示されている。

特開２０１２−８３２１０号公報 特開２０１１−１８５０９５号公報

しかしながら、特許文献２では、セタン価の低下は判定できるものの、例えばバイオ燃料を用いた場合の判定は困難であり、燃料性状の判別が不十分である。

また、特許文献２では、ＰＭセンサの具体的な構造が開示されておらず、一般的な電気抵抗型ＰＭセンサを用いていると考えられる。電気抵抗型ＰＭセンサは、各電極にＰＭを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したＰＭの一部が離脱する可能性があり、推定精度を担保できない課題がある。また、電極間の電気抵抗値はＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、電極がＰＭで繋がるまでの期間はＰＭ量を正確に推定できない課題がある。そのため、電気抵抗型ＰＭセンサでは、燃料性状を精度良く判別することは期待できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なセンサ及び内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極を設け、前記一対の電極間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、前記推定手段が推定した粒子状物質量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部を備えたセンサである。

本発明によれば、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なセンサを提供できる。

（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図であり、（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 （Ａ）は、本発明の一変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、そのＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。 本発明の一変形例に係るＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態に係るセンサ（以下、ＰＭセンサと呼称する）を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１（Ａ）は、本実施形態に係るＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の排気系の一例を示す概略構成図であり、図１（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。

図１（Ａ）に示すように、エンジン１００の排気通路（排気管）１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、パティキュレート・フィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０等が設けられている。本実施形態の診断装置は、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０よりも上流側の排気通路１１０に配置して構成されている。なお、ＰＭセンサ１０の個数は限定されず、二個以上であってもよい。また、ＰＭセンサ１０の配置位置は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気通路１１０であってもよい。

次に、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。

図２に示すように、ＰＭセンサ１０は、排気通路１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気通路１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、を備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気通路１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気通路１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。

ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ₁₂は、導出口１３の総開口面積Ｓ₁₃よりも小さく形成されている（Ｓ₁₂＜Ｓ₁₃）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ₁₂が導出口１３付近の排気流速Ｖ₁₃よりも遅くなることで（Ｖ₁₂＜Ｖ₁₃）、導入口１２側の圧力Ｐ₁₂は導出口１３側の圧力Ｐ₁₃よりも高くなる（Ｐ₁₂＞Ｐ₁₃）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気通路１１０内に円滑に導出される。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気通路１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。

フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。

電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵという）４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。

電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるセンサ再生（フィルタ再生）を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。

また、図１（Ｂ）に示すように、ＰＭセンサ１０は、センサ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、を備えている。センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２は、ＥＣＵ４０に搭載されている。なお、センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２は、ＥＣＵ４０と別体に構成されたハードウェアユニットに搭載されていてもよい。ＥＣＵ４０は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置を構成するものであり、燃料噴射タイミングを含むエンジン１００の制御を行うように構成されている。

センサ再生制御部４１は、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の表面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

センサ再生制御部４１は、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１のＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Ｃ_{P_max}に達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするセンサ再生を開始する（図３参照）。このセンサ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Ｃ_{P_min}に低下するまで継続される。

ＰＭ量推定演算部４２は、本発明の推定手段の一例であって、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐを求めると共に、測定対象となる期間における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を推定する。

任意の期間Ｔ_n間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍ_{PM_n}は、静電容量変化量ΔＣｐ_nに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。

ＰＭ量推定演算部４２は、数式２から算出される期間Ｔ_nのＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算する以下の数式３に基づいて、ＰＭセンサ１０のフィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算する。

さて、ＰＭセンサ１０は、燃料性状判別部２をさらに備えている。

燃料性状判別部２は、推定手段であるＰＭ量推定演算部４２が推定したＰＭ量に基づき、燃料性状を判別するように構成されている。

燃料性状判別部２は、燃料性状の判別基準となる標準燃料を使用した場合にエンジン１００から排出されるＰＭ量である基準粒子状物質量（基準ＰＭ量という）を運転状況毎にマップ化した燃料性状マップ３を有しており、燃料性状マップ３を参照して現在の運転状況に対応する基準ＰＭ量を求め、求めた基準ＰＭ量とＰＭ量推定演算部４２が推定したＰＭ量（推定ＰＭ量という）とを比較することにより、燃料性状を判別するように構成される。

例えば、炭化水素の量が多い燃料では、エンジン１００から排出されるＰＭ量が多くなるので、推定ＰＭ量が基準ＰＭ量より多くなる。また、バイオ燃料は含酸素量が多いので、バイオ燃料を用いた場合は、エンジン１００から排出されるＰＭ量が少なくなり、推定ＰＭ量が基準ＰＭ量より少なくなる。よって、本実施形態では、燃料性状判別部２は、推定ＰＭ量が基準ＰＭ量より多いか少ないかによって、現在使われている燃料の燃料性状を判別している。

燃料性状マップ３は、予め実験またはＰＭ堆積モデルを用いた演算により、考えられる運転状況毎に基準ＰＭ量を求めて作成される。ここでは、エンジン回転数とエンジン負荷とを運転状況を表すパラメータとして用い、エンジン回転数とエンジン負荷毎に所定時間にエンジン１００より排出されるＰＭ量を演算して基準ＰＭ量を求め、燃料性状マップ３を作成した。ただし、運転状況を表すパラメータはこれに限定されるものではなく、例えば３つ以上のパラメータを用いるようにしても構わない。

燃料性状判別部２は、燃料性状マップ３を参照して現在の運転状況に対応する基準ＰＭ量を求めると共に、ＰＭ量推定演算部４２により所定時間（基準ＰＭ量を演算する際に用いた所定時間と等しい時間）にフィルタ部材３１に堆積したＰＭ量である推定ＰＭ量を求め、基準ＰＭ量と推定ＰＭ量の大小関係と両者の差異（乖離）を、燃料性状データとして出力する。

燃料性状判別部２は、例えば車両の始動時など、エンジン１００から排出されるＰＭ量が安定しない場合には、燃料性状を判別しないように構成されてもよい。

燃料性状判別部２より出力された燃料性状データは、ＥＣＵ４０に搭載された燃料性状対応制御部４に入力される。燃料性状対応制御部４は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置を構成するものである。

燃料性状対応制御部４は、燃料性状判別部２が判別した燃料性状、すなわち、燃料性状判別部２から入力された燃料性状データに応じて、燃料噴射タイミングを含むエンジン１００の制御を行うものである。

燃料性状対応制御部４は、例えば、炭化水素が多く基準ＰＭ量よりも推定ＰＭ量が大きくなっており、かつ、基準ＰＭ量と推定ＰＭ量の乖離が所定の閾値よりも大きい場合には、当該乖離の程度に応じて、標準燃料使用時の燃料噴射タイミングよりも早いタイミングで燃料噴射を行うように燃料噴射タイミングの補正制御を行う。

なお、燃料性状対応制御部４は、燃料噴射タイミングの補正制御以外にも、例えば、燃料性状に応じて燃料噴射量の補正制御を行うように構成されてもよく、燃料性状に応じて燃費や排気ガス中のＮＯｘ量が最適となるようにエンジン１００の制御を行うように構成される。

本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態に係るＰＭセンサ１０では、排気通路１１０に配置されて排気中のＰＭを捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極３２，３３を設け、一対の電極３２，３３間の静電容量に基づいて排気中のＰＭ量を推定するＰＭ量推定演算部４２を備えた静電容量式のセンサからなり、ＰＭ量推定演算部４２が推定したＰＭ量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部２を備えている。

従来の電気抵抗型ＰＭセンサは、排気流量が多くなる運転状態でＰＭの一部が離脱する可能性があり、また、電極間の電気抵抗値はＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、ＰＭ量を正確に推定できない課題がある。

これに対して、本実施形態に係るＰＭセンサ１０では、感度の良好な電極３２，３３間の静電容量変化量に基づいてＰＭ量を推定しており、かつ、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集するように構成されているため、エンジン１００から排出される排気ガス中のＰＭ量を高精度に推定することができる。よって、推定したＰＭ量を基に燃料性状を判別する燃料性状判別部２をさらに備えることにより、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なＰＭセンサ１０を実現できる。

燃料性状を精度良く判別することにより、燃料性状に応じたエンジン１００の制御が可能となり、標準燃料だけでなく、バイオ燃料、粗悪燃料等にも対応した最適なエンジン制御が可能となる。

特に、燃料としてバイオ燃料を用いた場合には、排気ガス中のＮＯｘ量が増加して規制値を超えてしまう可能性が生じるが、本実施形態によればバイオ燃料の使用を早期に判別し、燃料性状に応じた最適なエンジン制御を行うことが可能であり、排気ガス中のＮＯｘ量を適切にコントロールすることが可能である。

なお、排気ガス中のＰＭ量が多い場合には燃費の悪化が考えられるが、燃料性状に応じた最適なエンジン制御を行うことで、燃費を向上させることも可能になる。

また、本実施形態に係るＰＭセンサ１０によれば、ＰＭ量と燃料性状の推定が同時に可能であり、個々の機能を別の装置で実現した場合と比較して低コストである。

さらに、本実施形態のＰＭセンサ１０では、センサ部３０を収容したケース部材１１を、その先端部を排気通路１１０内で排気流速が最も速い軸中心ＣＬ近傍まで突出させている。このケース部材１１の先端側筒壁部には、ケース部材１１内に排気ガスを取り込む導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、導入口１２よりも開口面積を大きく形成した導出口１３が設けられている。すなわち、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、導入口１２を排気流速が速い排気通路１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置し、導出口１３の開口面積を大きくしたことで、導入口１２と導出口１３との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部３０を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、ＰＭセンサ１０の具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、積層タイプのセンサ部６０を用いるようにしてもよい。

センサ部６０は、上流側と下流側とを交互に目封止したセルを一方向に並列に配置した直方体状の複数のフィルタ層６１と、平板状の導電性部材からなる複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備え、第１及び第２電極板６２，６３をフィルタ層６１を挟んで交互に積層して構成される。第１及び第２電極板６２，６３は、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法がフィルタ層６１と略同一に形成されている。

第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させることで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

なお、セルに堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

また、図４に示すように、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

２ 燃料性状判別部
３ 燃料性状マップ
４ 燃料性状対応制御部
１０ ＰＭセンサ（センサ）
４０ ＥＣＵ
４２ ＰＭ量推定演算部（推定手段）
１００ エンジン（内燃機関）
１１０ 排気通路

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、
   前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極を設け、前記一対の電極間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、
   前記推定手段が推定した粒子状物質量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部を備えた
   ことを特徴とするセンサ。
2. 前記燃料性状判別部は、燃料性状の判別基準となる標準燃料を使用した場合に前記内燃機関から排出される粒子状物質量である基準粒子状物質量を運転状況毎にマップ化した燃料性状マップを有し、該燃料性状マップを参照して現在の運転状況に対応する前記基準粒子状物質量と、前記推定手段が推定した粒子状物質量とを比較することにより、燃料性状を判別するように構成される
   請求項１記載のセンサ。
3. 請求項１または２記載のセンサと、
   前記燃料性状判別部が判別した燃料性状に応じて、燃料噴射タイミングを含む前記内燃機関の制御を行う燃料性状対応制御部と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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