CN106795793B

CN106795793B - 传感器

Info

Publication number: CN106795793B
Application number: CN201580042971.5A
Authority: CN
Inventors: 内山正; 村泽直人; 塙哲史
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: EP3181845A4; WO2016024590A1; US10337434B2; JP6379837B2; JP2016037948A; EP3181845A1; CN106795793A; US20170226949A1; EP3181845B1

Abstract

本发明涉及传感器，连续地推定排气气体中包含的PM量。包括：过滤器构件(31)，包含捕获排气气体中的PM的多个单元；电极构件(32、33)，夹着单元相对配置而形成电容器；电加热器(34)，若在单元中PM堆积到规定量则执行将PM燃烧除去的过滤器再生；温度传感器(35)，取得过滤器构件(31)的温度；存储部(40)，作为参照温度而存储了在PM不流入过滤器构件(31)的状态下执行了过滤器再生时的过滤器构件(31)的温度；以及推定部(42、43、44)，在再生间隔期间基于电极构件(32、33)间的静电容变化量推定排气气体中包含的PM量，并且在过滤器再生期间基于由温度传感器(35)取得的温度和参照温度之差而推定排气气体中包含的PM量。

Description

传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及对排气气体中包含的粒子状物质(以下，称作PM)进行检测的PM传感器。

背景技术

以往，作为对从内燃机排出的排气气体中的PM进行检测的传感器，已知有电阻型PM传感器。一般来说，电阻型PM传感器在绝缘性基板的表面上相对配置一对导电性电极，利用电阻值因附着于这些电极上的导电性的PM(主要为碳烟(スート)成分)而变化的情况来推定PM量(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:(日本)特开2012-83210号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，电阻型PM传感器由于是使PM附着在各电极的简单的结构，因此存在以下课题，即尤其在排气流量增多的运转状态下，附着在电极上的PM的一部分存在脱离的可能性，无法担保推定精度。此外，电极间的电阻值在电极因PM的堆积而互相连接之前并不显示出变化，因此存在电极在因PM而连接之前的期间无法准确推定PM量的课题。而且，在通过电加热器燃烧除去堆积在电极间的PM的再生期间，电极间的电阻值也不显示出变化，因此存在在该再生期间也无法推定PM量的课题。

因此，使用电阻型PM传感器，无法连续地推定从引擎排出的PM量，其用途被限定于在比柴油微粒过滤器(以下称作DPF)更下游侧以机载(onboard)方式诊断故障。

本发明鉴于这样的问题而完成，其目的在于提供一种能够连续地推定排气气体中包含的PM量的PM传感器。

用于解决课题的手段

所公开的传感器包括：多孔性质的过滤器构件，包含用于捕获排气气体中的粒子状物质的多个单元；至少一对电极构件，夹着所述单元地相对配置而形成电容器；再生部件，若粒子状物质在所述单元中堆积到规定量，则执行将所述单元加热从而将该堆积的粒子状物质燃烧除去的过滤器再生；温度取得部件，取得所述过滤器构件的温度；存储部件，作为参照温度而存储了在包含粒子状物质的排气气体不流入所述过滤器构件的状态下通过所述再生部件执行了过滤器再生时的所述过滤器构件的温度；以及推定部件，在从所述再生部件进行的过滤器再生结束起直到下一次过滤器再生开始为止的再生间隔期间，基于所述一对电极构件间的静电容变化量来推定排气气体中包含的粒子状物质量，并且在所述再生部件进行的过滤器再生期间，基于由所述温度取得部件取得的温度和所述参照温度之差来推定排气气体中包含的粒子状物质量。

附图说明

图1是表示应用第一实施方式的PM传感器的排气系统的一例的概略结构图。

图2是表示第一实施方式的PM传感器的示意局部剖面图。

图3是用于说明第一实施方式的过滤器再生、过滤器温度的变化以及PM量的累计的定时图。

图4是表示第二实施方式的PM传感器的示意局部剖面图。

图5的(A)是第三实施方式的PM传感器的示意立体图，(B)是第三实施方式的PM传感器的示意分解立体图。

图6是表示应用其他实施方式的PM传感器的排气系统的一例的概略结构图。

图7是表示其他实施方式的PM传感器的示意局部剖面图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的各实施方式的PM传感器。对于同一零件附加同一附图标记，他们的名称和功能也相同。因此，不重复关于这些的详细的说明。

[第一实施方式]

图1是表示应用了第一实施方式的PM传感器10A的柴油引擎(以下，简称为引擎)100的排气系统的一例的概略结构图。在排气管110中，从排气上游侧起依次设有氧化催化剂210、DPF220、NOx净化催化剂230等。本实施方式的PM传感器10A，例如，可以设置在比DPF220更上游侧的排气管110或比DPF220更下游侧的排气管110的任一者中。

接着，基于图2说明第一实施方式的PM传感器10A的详细结构。

PM传感器10A包括：被插入排气管110内的壳体构件11、用于将壳体构件11安装到排气管110的底座部20、容纳在壳体构件11内的第一传感器部30、温度传感器35、控制单元40。

壳体构件11被形成为将底部侧(图示例中为下端侧)封闭了的有底圆筒状。壳体构件11的筒轴方向的长度L被形成为与排气管110的半径R大致相同的长度，以使得其底部侧的筒壁部突出到排气管110的轴中心CL附近。另外，在以下的说明中，将壳体构件11的底部侧记作前端侧，并将与底部侧相反侧记作壳体构件11的基端侧。

在壳体构件11的前端侧筒壁部上，设有沿周向隔开间隔地配置的多个导入口12。此外，在壳体构件11的基端侧筒壁部上，设有沿周向隔开间隔地配置的多个导出口13。导入口12的总开口面积S₁₂被形成得比导出口13的总开口面积S₁₃小(S₁₂<S₁₃)。即，由于导入口12附近的排气流速V₁₂比导出口13附近的排气流速V₁₃慢(V₁₂<V₁₃)，因此导入口12侧的压力P₁₂比导出口13侧的压力P₁₃高(P₁₂＞P₁₃)。由此，排气气体从导入口12被顺利地带入壳体构件11内，同时壳体构件11内的排气气体从导出口13被顺利地导出到排气管110内。

底座部20包括阳螺纹部21和螺母部22。阳螺纹部21被设置在壳体构件11的基端部，将壳体构件11的基端侧开口部封闭。该阳螺纹部21与形成在排气管110上的凸台部110A的阴螺纹部螺合。螺母部22例如是六角螺母，被固定在阳螺纹部21的上端部。在这些阳螺纹部21和螺母部22上形成有用于插入后述的导电线32A、33A等的通孔(未图示)。

第一传感器部30包括过滤器构件31、多对电极32、33以及电加热器34。

过滤器构件31例如是将构成由多孔质陶瓷的隔墙划分的格子状的排气流路的多个单元的上游侧和下游侧交替进行孔封闭而形成的。在使单元的流路方向为与壳体构件11的轴方向(图中上下方向)大致平行的状态下，该过滤器构件31介由缓冲构件31A被保持在壳体构件11的内周面。由于排气气体从下游侧被孔封闭的单元流入上游侧被孔封闭的单元，从而被从导入口12带入壳体构件11内的排气气体中的PM被捕获在隔墙表面或细孔中。另外，在以下的说明中，将下游侧被孔封闭的单元称作测定用单元，将上游侧被孔封闭的单元称作电极用单元。

电极32、33例如是导电性的金属线，被从下游侧(非孔封闭侧)交替插入夹着测定用单元地相对的电极用单元中，从而形成电容器。这些电极32、33介由导电线32A、33A而分别连接到被内置于控制单元40的未图示的静电容检测电路。

电加热器34是本发明的再生部件的一例，例如由电热线等形成。该电加热器34通过通电发热来对测定用单元进行加热，从而执行将堆积在测定用单元内的PM燃烧除去的所谓过滤器再生。因此，电加热器34优选被弯曲形成为连续S字形，互相平行的直线部分被沿着流路插入各测定用单元内。

温度传感器35是本发明的温度取得部件的一例，被容纳在比过滤器构件31更下游侧的壳体构件11中，用于检测通过了过滤器构件31的排气气体的温度(以下，也称作过滤器出口温度T_act)。由温度传感器35检测出的过滤器出口温度T_act被发送到电连接的控制单元40。另外，温度传感器35的配置位置不限定于过滤器构件31的下游，也可以设置在过滤器构件31的内部。

控制单元40进行各种控制，包括公知的CPU和ROM、RAM、输入端口、输出端口等而构成。此外，控制单元40中，作为各个功能要素，包括过滤器再生控制部41、第1PM量推定部42、第2PM量推定部43和总PM量运算部44。这些功能要素将作为被包含在一体硬件的控制单元40中的部分进行说明，但也可以设置为单独的硬件。

过滤器再生控制部41是本发明的再生部件的一例，执行过滤器再生控制，即根据由静电容检测电路(未图示)检测的各电极32、33间的静电容Cp而将电加热器34设为接通(通电)。电极32、33间的静电容Cp由电极32与33间的介质的介电常数ε、电极32和33的表面积S、电极32与33间的距离d以以下算式(1)表示。

[算式1]

在算式(1)中，电极32、33的表面积S一定，若介电常数ε以及距离d因测定用单元中捕获的PM而变化，则静电容Cp也随之进行变化。即，在电极32、33间的静电容Cp和过滤器构件31的PM堆积量之间成立比例关系。如图3所示，若电极32、33的静电容Cp达到表示PM上限堆积量的规定的静电容上限閾值C_{P max}，则开始将电加热器34设为接通的过滤器再生。该过滤器再生被持续直到静电容Cp降低到表示PM完全除去的规定的静电容下限閾值C_{P min}为止。

第1PM量推定部42是本发明的推定部件的一例，在从过滤器再生结束起直到下一次过滤器再生开始为止的再生间隔期间，基于电极32、33间的静电容变化量ΔCp_n来推定运算由过滤器构件31捕获的PM量(以下，称作间隔期间PM量m_{PM Int n})。更详细地说，第1PM量推定部42在再生间隔期间基于对由静电容检测电路(未图示)检测的电极32、33间的静电容变化量ΔCp_n乘以一次系数β的以下算式(2)，依次计算间隔期间PM量m_{PM Int n}。

[算式2]

m_{PM_Int_n}＝β·ΔCp_n

由第1PM量推定部42计算出的间隔期间PM量m_{PM Int n}被依次输入到后述的总PM量运算部44。

第2PM量推定部43是本发明的推定部件的一部分，在过滤器再生执行期间，基于过滤器温度推定由过滤器构件31捕获的PM量(以下，称作再生期间PM量m_{PM Reg n})。以下，说明再生期间PM量m_{PM Reg n}的详细的推定方法。

在控制单元40的未图示的存储部中，作为参照温度T_ref而存储有预先通过实验等在排气气体(新的PM)不流入过滤器构件31的状态下执行了过滤器再生时测定的过滤器出口温度。排气气体在过滤器再生执行中流入过滤器构件31，被过滤器构件31捕获的新的PM燃烧而产生的发热量通过以下的式(3)表示。

[算式3]

m_exh·C·ΔT＝Qc·(m_P，M+m_{PM_Reg_n})-Qc·m_PM

在算式(3)中，m_exh表示由未图示的排气流量传感器检测的排气气体流量，c表示排气气体的比热，Qc表示PM的单位发热量，m_PM表示在过滤器再生开始时在过滤器构件31中捕获的PM量，ΔT表示在过滤器再生中由温度传感器35检测的过滤器出口温度T_act和参照温度T_ref的温度偏差(ΔT＝T_act-T_ref)。再生开始时的PM量m_PM基于对电极32、33的静电容Cp乘以一次系数β的上述算式(2)而运算即可。若针对再生期间PM量m_{PM Reg n}来整理算式(3)，则由以下的算式(4)表示。

[算式4]

第2PM量推定部43基于该算式(4)而实时地运算再生期间PM量m_{PM Reg n}。通过第2PM量推定部43计算出的再生期间PM量m_{PM Reg n}依次被输出到后述的总PM量运算部44。另外，再生期间PM量m_{PM Reg n}的推定不限于算式(4)所示的模型式，也可以使用基于温度偏差ΔT而参照的预先通过实验等而生成的未图示的图等。

总PM量运算部44是本发明的推定部件的一例，基于将从第1PM量推定部42输入的间隔期间PM量m_{PM Int n}和从第2PM量推定部43输入的再生期间PM量m_{PM Reg n}交替进行依次累计的以下的算式(5)，实时地计算从引擎100排出的排气气体中的总PM量m_{PM sum}。

[算式5]

m_{P，M_sum}＝m_{PM_Int_l}+m_{PM_Reg_1}+m_{PM_Int_2}+m_{PM_Reg_2}+……+m_{PM_Int_n}+m_{PM_Reg_n}

这样，在本实施方式中，在再生间隔期间Int_n，基于灵敏度比电阻值更良好的静电容变化量ΔCp_n来计算间隔PM量m_{PM Int n}，并且在过滤器再生期间Reg_n，基于过滤器构件31的温度来计算再生期间PM量m_{PM Reg n}，并将它们依次累计，从而能够实时且高精度地推定从引擎100排出的排气气体中的PM量。

接着，说明本实施方式的PM传感器10A的作用效果。

在采用基于电极间的电阻值来推定PM量的电阻型PM传感器时，由于在电极的再生期间和各电极因PM而互相连接之前的期间，电阻值不显示出变化，因此存在无法实时推定排气气体中的PM量的课题。

相对于此，本实施方式的PM传感器10A构成为，在再生间隔期间基于灵敏度良好的电极32、33间的静电容变化量来推定PM量，在过滤器再生期间基于过滤器构件31的温度来推定PM量，并将这些推定的PM量依次累计，从而运算排气气体中的PM量。从而，根据本实施方式的PM传感器10A，能够高精度且实时地推定从引擎100排出的排气气体中的PM量。

此外，在采用使各电极附着PM的电阻型PM传感器的情况下，例如，在排气流量增多的运转状态下PM的一部分有可能从电极脱离，存在无法担保PM量的推定精度的课题。相对于此，本实施方式的PM传感器10A被构成为通过过滤器构件31可靠地捕获排气气体中的PM。因此，根据本实施方式的PM传感器10A，即使在排气流量增多的运转状态下也能够有效地确保PM量的推定精度。

此外，在本实施方式的PM传感器10A中，容纳第一传感器部30的壳体构件11其前端部在排气管110内突出到排气流速最快的轴中心CL附近。在该壳体构件11的前端侧筒壁部设有用于将排气气体引入壳体构件11内的导入口12。此外，在壳体构件11的基端侧筒壁部，设有开口面积被形成得比导入口12大的导出口13。即，根据本实施方式的PM传感器10A，将导入口12配置在排气流速快的排气管110的轴中心CL附近，并增加导出口13的开口面积，从而能够确保导入口12和导出口13的静压差较大，能够有效地促进通过第一传感器部30的排气气体的流动。

[第二实施方式]

接着，基于图4说明第二实施方式的PM传感器10B的详细情况。第二实施方式的PM传感器10B是在第一实施方式的PM传感器10A中将壳体构件11设为双重管结构的方案。关于其他结构要素，由于是同一结构，因此省略详细的说明。此外，关于导电线32A、33A和控制单元40，省略图示。

第二实施方式的壳体构件11包括有底圆筒状的内侧壳体部11A和包围内侧壳体部11A的圆筒外周面的圆筒状的外侧壳体部11B。

内侧壳体部11A的轴方向长度比外侧壳体部11B形成得长，以使前端侧比外侧壳体部11B突出。此外，在内侧壳体部11A的底部，设有将内侧壳体部11A内的排气气体导出到排气管110内的导出口13。而且，在内侧壳体部11A的基端侧的筒壁部，设有在圆周方向上隔开间隔地配置的多个通过口14。该通过口14使由内侧壳体部11A的外周面和外侧壳体部11B的内周面所划分出的流路15内的排气气体通过内侧壳体部11A内。

在流路15的下游端，形成有由内侧壳体部11A的前端侧筒壁部和外侧壳体部11B的前端部划分出的圆环状的导入口12。导入口12的开口面积S₁₂被形成得比导出口13的开口面积S₁₃小(S₁₂<S₁₃)。

即，流过排气管110的排气气体碰到比外侧壳体部11B突出的内侧壳体部11A的筒壁面，并从配置在排气管110的轴中心CL附近的导入口12被顺利地引入流路15内。而且，流过流路15内的排气气体被从通过口14引入内侧壳体部11A，并且在通过过滤器构件31后，从配置在排气管110的轴中心CL附近的导出口13被顺利地导出到排气管110。这样，在第二实施方式的PM传感器10B中，通过将导入口12和导出口13配置在排气管110内排气流速最快的轴中心CL附近，从而能够有效地提高通过过滤器构件31的排气流量。

[第三实施方式]

接着，基于图5说明第三实施方式的PM传感器的详细情况。第三实施方式的PM传感器是将第一实施方式的第一传感器部30设为层叠类型的方案。关于其他结构要素，由于是同一结构，因此省略详细的说明和图示。

图5的(A)表示第三实施方式的第二传感器部60的立体图，图5(B)表示第二传感器部60的分解立体图。第二传感器部60包括多个过滤器层61和多张第1及第2电极板62、63。

过滤器层61将例如由多孔质陶瓷等隔墙划分而构成排气流路的多个单元的上游侧和下游侧交替进行孔封闭，并且形成为将这些单元在一个方向上并列配置的长方体状。排气气体中所包含的PM，如图5(B)中虚线箭头所示，排气气体从下游侧被孔封闭的单元C1流入上游侧被孔封闭的单元C2，由此，排气气体中包含的PM被捕获在单元C1的隔墙表面或细孔中。另外，在以下说明中，使单元流路方向为第二传感器部60的长度方向(图5的(A)中的箭头L)，使与单元流路方向正交的方向为第二传感器部60的宽度方向(图5的(A)中的箭头W)。

第1和第2电极板62、63例如为平板状的导电性构件，其长度方向L以及宽度方向W的外形尺寸被形成为与过滤器层61大致相同。这些第1和第2电极板62、63夹着过滤器层61地交替层叠，并且经由导电线62A、63A而与内置于控制单元40的未图示的静电容检测电路分别连接。

即，将第1电极板62和第2电极板63相对配置，并在这些电极板62、63之间夹持过滤器层61，从而单元C1整体形成电容器。这样，在第三实施方式的PM传感器中，通过平板状的电极板62、63而使单元C1整体成为电容器，能够有效地确保电极表面积S，并且能够提高所能够检测的静电容绝对值。此外，电极间距离d成为单元间距并且被均一化，从而能够有效地抑制初始静电容的不均。

另外，在将单元C1中堆积的PM燃烧除去时，对电极板62、63直接施加电压，或者在过滤器层61和电极板62、63之间夹设未图示的加热器基板等即可。

[其他]

本发明不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以适当变形后实施。

例如，如图6所示，也可以构成为在排气管110连接从氧化催化剂210和DPF220之间分支并在比NOx净化催化剂230靠上游侧合流的旁路管190，并将第一实施方式的第一传感器部30或第三实施方式的第二传感器部60配置在旁路管190内。

此外，如图7所示，在第一实施方式(或第二实施方式)中，也可以调换导入口12和导出口13的位置，并将被导入壳体构件11内的排气气体的流动设为反向。在该情况下，将过滤器构件31在壳体构件11内反转容纳即可。

Claims

1.一种传感器，其特征在于，包括：

多孔性质的过滤器构件，包含用于捕获排气气体中的粒子状物质的多个单元；

至少一对电极构件，夹着所述单元地相对配置而形成电容器；

再生部件，若粒子状物质在所述单元中堆积到规定量，则执行将所述单元加热从而将该堆积的粒子状物质燃烧除去的过滤器再生；

温度取得部件，取得所述过滤器构件的温度；

存储部件，作为参照温度而存储了在包含粒子状物质的排气气体不流入所述过滤器构件的状态下通过所述再生部件执行了过滤器再生时的所述过滤器构件的温度；以及

推定部件，在从所述再生部件进行的过滤器再生结束起直到下一次过滤器再生开始为止的再生间隔期间，基于所述一对电极构件间的静电容变化量来推定排气气体中包含的粒子状物质量，并且在所述再生部件进行的过滤器再生期间，基于由所述温度取得部件取得的温度和所述参照温度之差来推定排气气体中包含的粒子状物质量。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，

所述推定部件通过将在再生间隔期间基于所述一对电极构件间的静电容实际变化量而推定的粒子状物质量、和在过滤器再生期间基于由所述温度取得部件取得的温度与所述参照温度之差而推定的粒子状物质量进行依次累计，从而实时地推定排气气体中的粒子状物质量。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其中，

所述再生部件包含被插入所述单元内并通过通电而发热的电热线。

4.如权利要求1或2所述的传感器，其中，

所述过滤器构件是将所述多个单元在一个方向上并列配置的过滤器层，所述一对电极构件是夹着所述过滤器层而相对的平板状的第1和第2电极板，所述再生部件包含通过通电而发热的平板状的加热器基板，该加热器基板被夹设在所述第1电极板和所述过滤器层之间或所述第2电极板和所述过滤器层之间的任一者。