JP6028615B2

JP6028615B2 - 粒子状物質の測定装置

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Publication number: JP6028615B2
Application number: JP2013031169A
Authority: JP
Inventors: 正文野田; 充宏阿曽; 正内山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US9915597B2; CN105074148B; EP2960448B1; JP2014159782A; WO2014129447A1; EP2960448A4; EP2960448A1; US20160047731A1; CN105074148A

Description

本発明は、粒子状物質の測定装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質の測定装置に関する。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。一般的に、ＤＰＦは、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形成する多数のセルを備え、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成される。

ＤＰＦのＰＭ捕集量には限度があるため、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これら堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆる強制再生が必要になる。そのため、強制再生の制御には、ＰＭ堆積量を精度良く測定することが望まれる。

例えば、特許文献１には、排気下流側が目封止された測定用セルを挟んで対向する一対のセルに一対の電極をそれぞれ挿入し、これら電極間で形成されるコンデンサの静電容量に基づいてＰＭ堆積量を検出するＰＭセンサが開示されている。

特開２０１２−２４１６４３号公報

ところで、上述した従来技術のＰＭセンサでは、一つのセルを挟んで配置される一対の電極に対して１つのコンデンサのみが形成される。そのため、静電容量をより多くのセルで測定するためには、電極の本数を増加させる必要があり、製造コストの上昇を招く他、電極用セルの増加によりＤＰＦのＰＭ捕集能力が低下する可能性もある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、電極配置の最適化を図ることで、電極間に形成されるコンデンサ数を効果的に増加させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の粒子状物質の測定装置は、内燃機関の排気通路内に設けられ、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたフィルタと、少なくとも一つのセルを中心セルとし、当該中心セルを挟んで対角上に配置される一対の第一対角セルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の第一電極と、前記中心セルを挟んで対角上に配置され、且つ前記第一電極が挿入されない一対の第二対角セルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の第二電極と、前記一対の第一電極を互いに接続する第一接続部材と、前記一対の第二電極を互いに接続する第二接続部材と、前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集される粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出手段と、を備え、前記中心セルの周囲に隔壁を介して隣接し、且つ前記第一対角セルと第二対角セルとで挟まれる四つのセルが測定用セルとされることを特徴とする。

また、前記第一電極の前記第一対角セルからの突出量が前記第二電極の前記第二対角セルからの突出量よりも長く形成され、前記第一接続部材に、前記第一電極の端部を挿通して当該端部が固定される第一固定孔が設けられ、前記第二接続部材に、前記第二電極の端部を挿通して当該端部が固定される第二固定孔と、前記第一電極を非接触状態で挿通させる挿通孔とが設けられるものであってもよい。

また、前記測定用セル内の非目封止側に、当該測定用セルの流路径を絞るオリフィスを設けてもよい。

また、前記中心セル内に、当該セルの流路を塞ぐ閉塞部材を設けてもよい。

また、前記閉塞部材は、前記中心セルの目封止側から非目封止側までを埋め込んで形成されてもよい。

また、前記閉塞部材は、セルの非目封止側を目封止して形成されてもよい。

また、前記第一対角セル又は前記第二対角セルの何れか一方の非目封止側の端部を第２の閉塞部材で閉塞してもよい。

また、前記フィルタは、前記排気通路内に、前記中心セルの目封止側を上流側に向けて配置されてもよい。

また、前記排気通路の所定位置から分岐するバイパス通路と、前記バイパス通路の分岐位置よりも下流側の排気通路内に設けられ、当該下流側の排気通路内を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記フィルタは、前記バイパス通路内に配置されてもよい。

また、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記第一電極及び前記第二電極をヒータとして機能させてもよい。

本発明の粒子状物質の測定装置によれば、電極配置の最適化を図ることで、電極間に形成されるコンデンサ数を効果的に増加させることができる。

本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、（ａ）はＤＰＦを排気下流側から視た模式的な斜視図、（ｂ）はＤＰＦの一部を排気下流側から視た模式的な平面図である。（ａ）〜（ｅ）は、図２（ａ）のＡ１〜Ａ５線縦断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、図２（ａ）のＢ１〜Ｂ５線横断面図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、接続部材の変形例を示す模式的な斜視図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、閉塞部材の変形例を示す模式的な断面図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、電極用セルの変形例を示す模式的な断面図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、測定用セルの隔壁表面に堆積するＰＭを従来技術と比較した図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置において、静電容量の変化がサチュレートする時期を従来技術と比較した図である。本発明の他の実施形態に係る粒子状物質の測定装置を示す模式的な全体構成図である。

以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称およ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に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。

さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に、排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４、ＤＰＦ入口温度センサ３１、ＤＰＦ出口温度センサ３２が設けられている。

排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。

ＤＰＦ入口温度センサ３１は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、入口温度Ｔ_IN）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ３２は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、出口温度Ｔ_OUT）を検出する。これら入口温度Ｔ_IN及び出口温度Ｔ_OUTは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。

排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。

酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミックス製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、ＤＰＦ１６の強制再生時に、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ１６はＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温されて、堆積したＰＭが燃焼除去される。

ＤＰＦ１６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形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。以下、図２〜４に基づいて、本実施形態のＤＰＦ１６の詳細構造を説明する。

図２〜４に示すように、ＤＰＦ１６には、排気上流側を目封止されて、閉塞部材６が埋設された複数のセル１が、中心セルとして選定されている。また、中心セル１を挟んで対角上に配置される一対のセル２には、第一電極Ａがそれぞれ挿入されている（以下、セル２を第一電極用セルという）。さらに、中心セル１を挟んで対角上に配置される他の一対のセル３には、第二電極Ｂがそれぞれ挿入されている（以下、セル３を第二電極用セルという）。

第一電極Ａ及び第二電極Ｂは、例えば導電性の金属線であって、第一電極用セル２及び第二電極用セル３に非目封止側（排気下流側）からそれぞれ挿入されている。すなわち、中心セル１の対角上に四本の電極が配置されて、これら第一電極Ａ及び第二電極Ｂの間に四つのコンデンサが形成されている。以下、中心セル１の周囲に隔壁を介して隣接し、且つ第一電極用セル２と第二電極用セル３とで挟まれた四つのセル４を測定用セルという。

第一電極用セル２に挿入された第一電極Ａは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属線で形成された第一接続部材Ａ１（図２参照）によって互いに接続されている。同様に、第二電極用セル３に挿入された第二電極Ｂは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属線で形成された第二接続部材Ｂ１（図２参照）によって互いに接続されている。

本実施形態において、第一電極Ａの突出量は、第一接続部材Ａ１と第二接続部材Ｂ１との接触を回避するために、第二電極Ｂの突出量よりも長く設定されている。なお、これら突出量は、必ずしも第一電極Ａを長くする必要はなく、第二電極Ｂを長く設定することもできる。

また、図５に示すように、第一接続部材Ａ１及び第二接続部材Ｂ１を平板状に形成することもできる。この場合、第一接続部材Ａ１には、第一電極Ａの端部を挿通させて溶接固定する固定孔ａ１を形成すると共に、第二接続部材Ｂ１には、第二電極Ｂの端部を挿通させて溶接固定する固定孔ｂ１を形成すればよい。さらに、第二接続部材Ｂ１には、第一電極Ａよりも大径に形成されて、第一電極Ａを非接触状態で挿通させる挿通孔ｂ２を設ければよい。

測定用セル４の排気上流側端には、測定用セル４内に流れ込む排気ガスを絞るオリフィス８が設けられている（図３，４参照）。このオリフィス８により測定用セル４内への排気ガス流量が低減されることで、測定用セル４を区画する隔壁へのＰＭ堆積を遅らせることができる。すなわち、オリフィス８の開口径を適宜最適な値に設定すれば、第一電極Ａと第二電極Ｂとの間の静電容量変化がサチュレートする時期を所望の時期に調整できるように構成されている。

中心セル１内には、排気流路を閉塞する閉塞部材６が設けられている。この閉塞部材６は、例えばＤＰＦ１６と同一材料のセラミックスで形成されている。本実施形態において、閉塞部材６は、中心セル１の目封止側から非目封止側に至る排気流路を全て塞ぐように、中心セル１内の全領域に埋設されている（図３，４参照）。

すなわち、測定用セル４に流入した排気ガスは、中心セル１に流れ込むことなく、第一電極用セル２及び第二電極用セル３へと流れ込むように構成されている。これにより、測定用セル４に流入した排気ガス中のＰＭは、電極用セル２，３側の隔壁表面に捕集され、中心セル１側の隔壁への堆積が効果的に抑制される。特に、オリフィス８との相乗効果により、測定用セル４の中心セル１側の隔壁のみならず、測定用セル４内の目封止背面及び隔壁表面へのコ字状（Ｕ字状）の堆積も効果的に抑制することができる。

なお、閉塞部材６は必ずしも、中心セル１内の全領域に埋設される必要はなく、図６に示すように、中心セル１内の流路の一部を閉塞（図示例では、非目封止側を目封止）するように設けてもよい。

また、図７に示すように、追加の閉塞部材７（第二の閉塞部材）を第一電極Ａ又は第二電極Ｂの何れか一方（図示例では第一電極Ａ）の挿入側端部に設けてもよい。この場合、ＰＭの中心セル１側の隔壁表面への堆積のみならず、第一電極用セル２側の隔壁表面への堆積も効果的に抑制することができる。

次に、図１に戻って、本実施形態のＥＣＵ２０を説明する。ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

静電容量演算部２１は、第一電極Ａ及び第二電極Ｂから入力される信号に基づいて、これら第一電極Ａと第二電極Ｂとの間の静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃは、電極Ａ，Ｂ間の媒体の誘電率ε、電極Ａ，Ｂの面積Ｓ、電極Ａ，Ｂ間の距離ｄとする以下の数式１で演算される。

ＰＭ堆積量推定部２２は、ＤＰＦ入口温度センサ３１で検出される入口温度Ｔ_IN及びＤＰＦ出口温度センサ３２で検出される出口温度Ｔ_OUTの平均値（以下、ＤＰＦ平均温度Ｔ_AVE）と、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃとに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭ_DEPを推定する。ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPの推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。

次に、本実施形態に係る粒子状物質の測定装置による作用効果を説明する。

従来のＰＭセンサでは、一つのセルを挟んで配置される一対の電極に対して一つのコンデンサのみが形成される（例えば、二本の電極Ａ、二本の電極Ｂに対しては二つのコンデンサのみが形成される）。そのため、測定用セルを増やすためには、電極の本数を増加させる必要があり、製造コストの増加を招く他、電極用セルの増加によりＤＰＦのＰＭ捕集能力が低下するといった課題がある。

これに対し、本実施形態の粒子状物質の測定装置では、二本の第一電極Ａ及び、二本の第二電極Ｂがそれぞれ中心セル１を挟んで対角上にある一対のセル２，３に挿入され、これら二本の第一電極Ａと二本の第二電極Ｂとの間に四つのコンデンサが形成される。すなわち、中心セル１の対角上にある四つのセルが静電容量の測定用セルとなるように構成されている。

したがって、本実施形態の粒子状物質の測定装置によれば、電極Ａ，Ｂの本数を増やすことなく、コンデンサを効果的に多く形成することが可能となり、製造コストの増加やＤＰＦのＰＭ捕集能力低下を効果的に抑制することができる。

また、従来のＰＭセンサでは、測定用セルを挟んで対向する四つのセルは、排気上流側のみが目封止され、排気下流側は非目封止とされている。そのため、測定用セルに流入した排気ガス中のＰＭは、測定用セルを区画する四つの隔壁表面に略矩形状に堆積する。このように、測定用セルの隔壁表面にＰＭが略矩形状に堆積すると、コンデンサを形成する電極間の静電容量変化は早期にサチュレートして、感度の低下を招くといった課題がある。

これに対し、本実施形態の粒子状物質の測定装置では、測定用セル４の排気上流側端に、排気ガス流量を絞るオリフィス８が設けられている。また、中心セル１内には、中心セル１の排気流路を閉塞する閉塞部材６が設けられている。

すなわち、オリフィス８によって測定用セル４内への排気ガス流量が低減されるため、測定用セル４を区画する隔壁へのＰＭ堆積は抑制される。また、閉塞部材６によって中心セル１への排気ガス流入が阻止されるため、中心セル１側の隔壁への堆積も抑制される（図８参照）。さらに、オリフィス８と閉塞部材６との相乗効果により、測定用セル４の中心セル１側の隔壁のみならず、測定用セル４内の目封止背面及び隔壁表面へのコ字状（Ｕ字状）のＰＭ堆積も効果的に抑制される。その結果、図９に示すように、静電容量の変化がサチュレートする時期を、従来技術のＰＭセンサに比べて大幅に遅れさせることが可能になる。

したがって、本実施形態の粒子状物質の測定装置によれば、静電容量変化の早期サチュレートが効果的に抑制されて、感度の低下を確実に抑止することができる。

なお、本発明は、上述の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、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、ＤＰＦ１６は、排気通路１２内に中心セル１の目封止側を排気上流側に向けて配置されるものとして説明したが、中心セル１の非目封止側を排気上流側に向けて配置してもよい。また、オリフィス８のみで静電容量変化のサチュレート時期を所望の時期に調整できる場合は、中心セル１の閉塞部材６を省略して構成してもよい。

また、図１０に示すように、酸化触媒１５よりも下流側の排気通路１２から分岐するバイパス通路１８を設け、このバイパス通路１８内に容量を小さくした計測用のＤＰＦ１６を配置して構成してもよい。この場合、分岐部よりも下流側の排気通路１２には容量の大きいＤＰＦ１７（第２のフィルタ）を設け、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａを設けることが好ましい。また、計測用のＤＰＦ１６の強制再生を実行する場合は、電極Ａ，Ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。

１中心セル
２第一電極用セル（第一対角セル）
３第二電極用セル（第二対角セル）
４測定用セル
６閉塞部材
８オリフィス
１０エンジン
１２排気通路
１４排気後処理装置
１６ＤＰＦ（フィルタ）
２０ＥＣＵ
２１静電容量演算部（堆積量算出手段）
２２ＰＭ堆積量推定部（堆積量算出手段）
Ａ第一電極
Ｂ第二電極
Ａ１第一接続部材
Ｂ１第二接続部材

Claims

内燃機関の排気通路内に設けられ、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたフィルタと、
少なくとも一つのセルを中心セルとし、当該中心セルを挟んで対角上に配置される一対の第一対角セルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の第一電極と、
前記中心セルを挟んで対角上に配置され、且つ前記第一電極が挿入されない一対の第二対角セルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の第二電極と、
前記一対の第一電極を互いに接続する第一接続部材と、
前記一対の第二電極を互いに接続する第二接続部材と、
前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集される粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出手段と、を備え、
前記中心セルの周囲に隔壁を介して隣接し、且つ前記第一対角セルと第二対角セルとで挟まれる四つのセルが測定用セルとされる
ことを特徴とする粒子状物質の測定装置。
前記第一電極の前記第一対角セルからの突出量が前記第二電極の前記第二対角セルからの突出量よりも長く形成され、
前記第一接続部材に、前記第一電極の端部を挿通して当該端部が固定される第一固定孔が設けられ、
前記第二接続部材に、前記第二電極の端部を挿通して当該端部が固定される第二固定孔と、前記第一電極を非接触状態で挿通させる挿通孔とが設けられる請求項１に記載の粒子状物質の測定装置。
前記測定用セル内の非目封止側に、当該測定用セルの流路径を絞るオリフィスを設けた請求項１又は２に記載の粒子状物質の測定装置。
前記中心セル内に、当該セルの流路を塞ぐ閉塞部材を設けた請求項１から３の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。
前記閉塞部材は、前記中心セルの目封止側から非目封止側までを埋め込んで形成される請求項４に記載の粒子状物質の測定装置。
前記閉塞部材は、セルの非目封止側を目封止して形成される請求項４に記載の粒子状物質の測定装置。
前記第一対角セル又は前記第二対角セルの何れか一方の非目封止側の端部を第２の閉塞部材で閉塞した請求項４から６の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。
前記フィルタは、前記排気通路内に、前記中心セルの目封止側を上流側に向けて配置される請求項１から７の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。
前記排気通路の所定位置から分岐するバイパス通路と、
前記バイパス通路の分岐位置よりも下流側の排気通路内に設けられ、当該下流側の排気通路内を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
前記フィルタは、前記バイパス通路内に配置される請求項１から８の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。
前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記第一電極及び前記第二電極をヒータとして機能させる
請求項９に記載の粒子状物質の測定装置。