JP6507497B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサに関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中の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。一般的に、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）。

特開２０１２−８３２１０号公報

ところで、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、電極に付着したＰＭの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、ＰＭ量を正確に推定できない課題もある。さらに、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。このため、エンジンから排出されるＰＭ量をリアルタイムに推定することはできず、その用途はディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）の下流側で故障をオンボードで診断する用途に限定される課題もある。

本発明の目的は、再生時間を効果的に短縮しつつ、排気ガス中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに推定することができるＰＭセンサを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材と、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部材と、前記セルを加熱して当該セルに堆積した粒子状物質を燃焼除去するヒータ部材と、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定部と、を備え、前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層を複数積層して成り、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平面状の第１及び第２電極板であり、複数の前記フィルタ層の積層方向に、一の前記フィルタ層の積層方向の両面の全体を、前記第１及び第２電極板が覆って排気通路を形成し、前記ヒータ部材が通電により発熱する平面状のヒータ基板であり、当該ヒータ基板が前記第１電極板と前記フィルタ層との間又は、前記第２電極板と前記フィルタ層との間の何れかに介設される。

また、前記セルに堆積した粒子状物質量が所定の上限値に達すると、当該堆積した粒子状物質を前記ヒータ部材により燃焼除去させるフィルタ再生制御を実行するフィルタ再生制御部をさらに備え、前記推定部は、フィルタ再生制御の終了から次のフィルタ再生制御が開始されるまでの再生インターバル時間を積算することで、粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。

また、前記推定部は、前記電極部材間の単位時間当たりの静電容量変化量に基づいて瞬時の粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。

本発明のＰＭセンサによれば、再生時間を効果的に短縮しつつ、排気ガス中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに推定することができる。

第一実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。 第一実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 第一実施形態に係るフィルタ再生を説明するタイミングチャート図である。 第一実施形態に係るマップの一例を示す図である。 （Ａ）は、第二実施形態に係るセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、第二実施形態に係るセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。 他の実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。 他の実施形態のセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るＰＭセンサを説明する。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。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態のＰＭセンサ１０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）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。エンジン１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０又は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０の何れに設けてもよい。

次に、図２に基づいて第一実施形態に係るＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。

ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管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、コントロールユニット４０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管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管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管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、排気管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、コントロールユニット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、通電により発熱して測定用セルを直接加熱することで、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。

コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。

フィルタ再生制御部４１は、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするフィルタ再生制御を実行する。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、測定用セルに捕集されたＰＭによって誘電率ε及び距離ｄが変化すると、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。フィルタ再生制御部４１は、電極３２，３３の静電容量Ｃｐが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にするフィルタ再生を開始する（図３の時間ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃参照）。このフィルタ再生は、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、再生インターバルＴ_n間（フィル再生終了から次のフィルタ再生開始）における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を推定する。再生インターバル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から算出される各再生インターバルＴ_n間のＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算する以下の数式３に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算する。

なお、静電容量Ｃｐの単位時間当たりの変化量ΔＣｐ／Δｔから、排気ガス中に含まれる瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}をリアルタイムに推定することもできる。この場合、瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}は、予め実験等により求めた静電容量ＣｐとＰＭ量ｍ_PMとの関係を示すマップ（図４参照）を用い、このマップに瞬時の静電容量変化量ΔＣｐ／Δｔを乗算することにより求めることができる。このように瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}を推定する場合は、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０に設ければ、エンジン１００から排出される瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}をリアルタイムに推定できるため、スモークリミット等のエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。

次に、本実施形態に係るＰＭセンサ１０の作用効果を説明する。

電極間の電気抵抗値に基づいてＰＭ量を推定する電気抵抗型ＰＭセンサでは、排気流量が多くなるとＰＭを確実に電極に付着させておくことが難しくなるため、推定精度を担保できない課題がある。また、電極に付着したＰＭの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、ＰＭ量を正確に推定できない課題もある。さらに、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量をリアルタイムで推定できない課題もある。

これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０は、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集しつつ、各再生インターバルＴ_nのＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算することで、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、エンジン１００から排出される総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を高精度且つリアルタイムに推定することができる。特に、単位時間当たりの静電容量変化量ΔＣｐ／Δｔから瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}を推定するように構成すれば、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０よりも上流側に設けることでエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。また、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０の下流側に設けた場合は、ＤＰＦ２２０の故障をオンボードで高精度且つ早期に検知することが可能になる。

また、本実施形態のＰＭセンサ１０は、電気ヒータ３４を測定用セル内に挿入し、フィルタ再生時は測定用セル内に堆積したＰＭを直接的に加熱するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、測定用セル内のＰＭを効率よく燃焼除去することが可能となり、フィルタ再生時間を効果的に短縮することができる。

［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係るＰＭセンサの詳細について説明する。第二実施形態のＰＭセンサは、第一実施形態のセンサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。

図５（Ａ）は、第二実施形態のセンサ部６０の斜視図、図５（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３と、複数枚のヒータ基板６４とを備えている。

フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて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、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図５（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図５（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図５（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、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を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第二実施形態のＰＭセンサでは、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、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できる。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。

ヒータ基板６４は、例えば、平板状の耐熱性・絶縁性・良熱伝導性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。また、ヒータ基板６４の内部には、通電により発熱する電熱線Ｌ（図５（Ｂ）にのみ示す）が連続Ｓ字形に屈曲して埋設されている。本実施形態において、このヒータ基板６４は、第２電極板６３とフィルタ層６１との間に介設されている。

すなわち、フィルタ再生時は、電熱線Ｌを通電してセルＣ１内を直接的に加熱するように構成されている。これにより、セルＣ１内のＰＭを効率よく燃焼除去することが可能となり、フィルタ再生時間を効果的に短縮することができる。

なお、ヒータ基板６４を設ける位置は、第２電極板６３とフィルタ層６１との間に限定されず、第１電極板６２とフィルタ層６１との間であってもよい。また、ヒータ基板６４を省略して、フィルタ再生時は電極板６２，６３に電圧を直接印加するように構成してもよい。

［その他］
本発明は、上述の各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、図６に示すように、排気管１１０に酸化触媒２１０とＤＰＦ２２０との間から分岐してＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側で合流するバイパス管１２０を接続し、第一実施形態のセンサ部３０又は、第二実施形態のセンサ部６０をバイパス管１２０内に配置して構成してもよい。

また、図７に示すように、第二実施形態のヒータ基板６４を第一実施形態の電気ヒータ３４に置き換えて構成してもよい。

１０ ＰＭセンサ
１１ ケース部材
１２ 導入口
１３ 導出口
２０ 台座部
２１ 雄ネジ部
２２ ナット部
３０ センサ部
３１ フィルタ部材
３２，３３ 電極
３４ 電気ヒータ
４０ コントロールユニット
４１ フィルタ再生制御部
４２ ＰＭ量推定演算部

Claims (3)

1. 多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材と、
   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部材と、
   前記セルを加熱して当該セルに堆積した粒子状物質を燃焼除去するヒータ部材と、
   前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定部と、
   を備え、
   前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層を複数積層して成り、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平面状の第１及び第２電極板であり、複数の前記フィルタ層の積層方向に、一の前記フィルタ層の積層方向の両面の全体を、前記第１及び第２電極板が覆って排気通路を形成し、前記ヒータ部材が通電により発熱する平面状のヒータ基板であり、当該ヒータ基板が前記第１電極板と前記フィルタ層との間又は、前記第２電極板と前記フィルタ層との間の何れかに介設された
   センサ。
2. 前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行可能なフィルタ再生手段をさらに備え、
   前記推定部は、再生インターバル間の静電容量変化量から当該再生インターバル間に前記フィルタ部材で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記推定部は、前記電極部材間の単位時間当たりの静電容量変化量に基づいて瞬時の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
   請求項１に記載のセンサ。

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