JP2005172831A - 排気ガス内の粒子の検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車内に組み込まれる内燃機関でも、高い精度で、粒子を検出すること。
【解決手段】圧電アクチュエータを有していて排気ガス流が作用する振動要素を備えており、励振装置により、振動要素を振動させることができ、評価装置により、振動要素の実際の振動特性を検出し、加熱装置が振動要素に配設されている検出装置において、加熱装置は、直接、振動要素に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス内の粒子の検出装置であって、圧電アクチュエータを有する振動要素を備えており、該振動要素は、排気ガス流が作用されるようにされており、励振装置を備えており、該励振装置は、振動要素を振動させることができ、評価装置を有しており、該評価装置は、振動要素の実際の振動特性を検出し、加熱装置を有しており、該加熱装置は、振動要素に配設されている検出装置に関する。

煤粒子は、内燃機関での燃料の燃焼時に特に最適燃焼でない際に生じる。従って、内燃機関の排気ガス中の煤粒子の検出は、内燃機関内での燃焼の質を検出するのに良好な手段である。更に、内燃機関の排気ガス中の煤粒子は、健康上有害でもある。例えば、内燃機関の排気ガス装置内に粒子フィルタを組み込むことによって、このことに対処しようという試みもある。

フィルタが完全に煤粒子で蓄積された時点を検出することは、内燃機関の確実且つ環境に合った作動にとって重要である。粒子フィルタの煤粒子蓄積状態に関しての予測手段も所望されている。このためのやり方は、排気ガス中に含まれている煤粒子を検出することにある。排気ガス中の煤粒子の検出用の、冒頭に記載した形式の相応の装置及び方法は、従来技術、ヨーロッパ特許公開第１３１６７９６号公報から公知である（特許文献１参照）。この従来技術では、圧電振動要素が設けられている測定セル内に排気ガスを案内することが提案されている。粒子分離器を用いて、排気ガス中に含まれている、振動要素上の粒子が分離される。これについての詳細な点については、前述の従来技術、ヨーロッパ特許公開第１３１６７９６号公報の内容を参照されたい（特許文献１参照）。

振動要素は、励振装置を用いて振動され、分離された煤粒子により変化した音響パラメータが検出される。このために、相応の評価装置が使われる。煤粒子の蓄積を除去するために、振動要素に加熱素子が所定間隔で配属され、この加熱素子を用いて、放射及び対流によって、振動要素を６００℃にも加熱することができる。そのような温度で、付着した煤粒子を燃焼することができる。

しかし、前述の従来技術、ヨーロッパ特許公開第１３１６７９６号公報に記載された装置は、比較的大きく、基本的に特定の検査間隔でしか使用できない（特許文献１参照）。それに対して、例えば、自動車での内燃機関の排気ガス系内での条件下では、公知の装置は使用可能でない。この理由は、そのような自動車での内燃機関の排気ガスで生じる温度変動を、このような公知の装置を以ってしては制御することができないからである。
ヨーロッパ特許公開第１３１６７９６号公報

本発明の課題は、冒頭に記載した形式の装置及び方法を更に改良して、自動車内に組み込まれる内燃機関でも、高い精度で、粒子を検出することができるようにすることにある。

この課題は、冒頭に記載した形式の装置において、加熱装置が、直接、振動要素に設けられているようにすることにより解決される。

本発明の装置では、前に接続される加熱要素を必要としないので、装置全体を小さく構成することができる。更に、振動要素は、もはや、間接的に、対流及び／又は放射によって加熱されるのではなく、加熱線路によって直接、加熱線路に、乃至、加熱線路上に設けられた、乃至、取り付けられた加熱素子によって加熱される。こうすることによって、振動要素を極めて瞬時且つ精確に温度調整することができるようになる。

振動要素の温度を精確に調整する際の特別な利点は、共振周波数及び損失電力への、材料により制約された温度依存性によって、測定が妨げられないという点にある。結局、こうすることによって、測定精度が向上し、振動要素が加熱され過ぎる危険性は小さくなる。

本発明の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。

加熱装置が振動要素の制御部から切り離されている場合、振動要素のどんな種類も（ＢＡＷ及びＳＡＷ作動方式）使用できる。他方、加熱装置は、振動の制御用に使われる少なくとも１つの電極内に統合されている。つまり、何れにせよ既存の、更に比較的小型の要素である電極が、加熱装置として使われる。こうすることによって、構造スペースと製造コストを低減することができる。

更に、加熱装置は、ストライプ状又はメアンダ状の電気加熱導体（Ｈｅｉｚｌｅｉｔｅｒ）を有しているようにすることが提案されている。そのようにすると、一方では、振動要素を均等に加熱することができ、他方では、電気量を良好に導入することができる。

その際、特に有利には、加熱装置は、制御又は調整装置と接続されており、該制御又は調整装置を用いて、振動要素の温度が制御又は調整される。こうすることによって、振動要素の特定の熱条件を所定のように調整することができ、それにより、音響特性の検出時に精度を向上させて、振動要素が加熱し過ぎるのを回避することができるようになる。

これに対する実施例では、有利にはＰＴＣ材料からなる、有利にはメアンダ状のセンサ素子が、振動要素に設けられている。この温度センサを用いて、特に精確且つ高速に温度調整することができる。

その際、加熱装置は、少なくとも１つのＰＴＣ抵抗を有している。そのような抵抗は、所定の温度係数を有しており、コスト高な調整電気回路を用いずに温度調整が可能となる。

有利には、振動要素には、耐高温性の圧電材料、例えば、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４又はこの材料の変化物を用いることができる。従って、振動要素には、直接、高熱の排気ガス放射が加えられており、それにより、振動要素に、煤粒子が蓄積するのが速められる。

本発明の装置の寿命を延ばすために、振動要素は少なくとも領域により保護膜を有しており、該保護膜は、振動要素を、ガス流及び／又は当該ガス流内に含まれている粒子との化学反応に対して保護することが提案されている。

その際、保護膜は、煤粒子の付着に有利な表面多孔質部を有している。この場合、振動要素に煤粒子が付着するのが更に速くなり、それにより、測定精度が良好となる。

本発明は、上述の形式の装置を用いて、排気ガス中の粒子を検出する方法にも関している。ここで、振動要素は、測定作動中、煤の燃焼温度の下側の所定温度に加熱され、測定作動中、検出された振動特性に基づいて、蓄積された煤量を検出し、振動要素を、再生・回復作動中、少なくとも、前記煤の前記燃焼温度に相応する所定温度に加熱することが提案されている。

このようにして検出された蓄積煤量は、粒子フィルタに蓄積された煤量の直接的な比較値を提供し、その際、コスト高なコンピュータによる集積は必要としない。それと同時に、装置の作動は、振動要素に固着した煤粒子が時々燃焼されるようにして、比較的長時間に亘って安定して行うことができる。

これに対して択一的に、振動要素は、測定作動中、少なくとも、煤の燃焼温度よりも高い所定温度に加熱され、測定作動中、検出された振動特性に基づいて、実際の煤濃度を検出することができる。この場合、振動要素は、定常的に燃焼温度よりも高い温度にされ、その結果、煤粒子は、非常に短時間しか振動要素の表面上に付着しない。この方法を用いると、排気ガスの、煤の目下の蓄積について知らせる信号が得られる。この信号から、内燃機関の実際の燃焼の質についての情報を得ることができる。

以下、特に有利な図示の実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。

排気ガス装置は、図１では、全体が参照番号１０で示されている。この排気ガス装置を用いて、排気ガスは、内燃機関１２から排出される。排気ガス装置１０内には、排気ガス中の粒子を検出するための装置１４が設けられている。この装置１４は、絞り１８が後ろ側に設けられた排気ガス捕捉用ロート部（Ｓａｍｍｅｌｔｒｉｃｈｔｅｒ）１６を有している。更に、この装置１４は、流れ方向で見て絞り１８の後ろ側に設けられた振動要素２０を有しており、この振動要素２０は、制御及び評価装置２２と接続されている。

振動要素２０を備えた装置１４の精確な構成については、図２及び３から分かる。つまり、振動要素２０は、基板２４を有しており、基板２４上に、圧電アクチュエータ２６が取り付けられており、圧電アクチュエータ２６は、この実施例では、全体が平坦な矩形形状を有している（しかし、基本的には、他の形状でもよい）。圧電アクチュエータ２６は、この実施例では、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４、ピエゾ材料製であり、この材料は、９００℃もの高温でも、その圧電特性を維持し、損傷しない。しかし、材料としては、Ｌｎ_３Ｇａ_５−ｘＡｌ_ｘＳｉＯ_１４（Ｌｎ＝Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ）及びＧａＰＯ_４並びに、LANGASIT構造族の他の結晶、及び、ヨーロッパ特許公開第１３１６７９６号公報に記載されているような物質のどれも挙げることができる。

圧電アクチュエータ２６と基板２４との間には、第１の電極２８が設けられており、この第１の電極２８は、この実施例では、矩形状の板片となるように製造されている（基本的には、アクチュエータ２６と、このアクチュエータと接続されたコンポーネントは、厚膜又は薄膜技術で最良に構成される）。基板２４に対向する側には、圧電アクチュエータ２６上に第２の電極３０がメアンダ状の巻線３１と一緒に設けられている。この巻線３１は、以下詳述するように、振動要素２０用の加熱装置を構成している（その際、基本的には、加熱装置は、アクチュエータ２６の対向する側にも、つまり、アクチュエータ２６と基板２４との間にも設けられている）。圧電アクチュエータ２６は、全体が保護膜３２内にカプセル封入されている（図２には、表示の理由から、部分的に断面表示されている）。保護膜３２の表面は、明瞭な多孔質部３４を有している（図３）。

第２の電極３０は、その両端が直流電流源３６に接続されている。第２の電極３０の一方の端と第１の電極２８とは、更に発振器回路３８及び評価ユニット４０に接続されている。こうすることによって、評価ユニット４０の信号を制御及び調整装置４２に供給することができ、制御及び調整装置４２は、直流電流源３６及び発振器回路３８とも接続されている。直流電流源３６、発振器回路３８、評価ユニット４０、及び、制御及び調整装置４２は、全体が、制御及び評価装置２２を構成している。

装置１４は、以下のように作動する（図４）：スタートブロック４４の後、ブロック４６で、直流電流源３６が、メアンダ状の加熱線３１が振動要素２０を加熱するように制御される。こうすることによって、圧電アクチュエータ２６は、煤が燃焼開始する温度ＴＡよりも高い、又は、温度ＴＡに等しい温度Ｔに加熱される。それと同時に、発振器回路３８は、圧電アクチュエータ２６が振動開始するように制御される。

この実施例では、圧電アクチュエータ２６は、ＢＡＷ方式（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅｓ：バルク音響波）の共振器を形成するように構成されている。しかし、基本的には、表面振動系（ＳＡＷ−Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅｓ：表面音響波）用の圧電アクチュエータ２６の構成も可能であり、その際、この場合、何れにせよ、電極及び加熱装置は、相互に別個に構成する必要がある。

内燃機関１２の作動中、高熱排気ガスは、ロート部１６と絞り１８とを介して、振動要素２０の保護膜３２に達する。排気ガス中に含まれている煤粒子は、保護膜３２の多孔質部３４に堆積するが、短時間後、加熱装置３１を用いて温度ＴＡに加熱された圧電アクチュエータ２６の高い温度によって燃焼する。煤粒子が振動要素２０に一時的に堆積することによって、振動要素２０の共振周波数乃至当該共振周波数に属する周期が変化する。このことが、評価ユニット４０によって検出され、そのことから生じた実際の煤濃度ＭＲＴが検出される（ブロック４８）。方法は、ブロック５０で終了する。

択一的に、装置１４は、図５に示された方法により作動してもよい。スタートブロック５の後、ブロック５４で、直流電流源３６が、先ず、振動要素２０の温度Ｔが、煤が燃焼される温度ＴＡより高い温度又は等しい温度に迄上昇するように制御される。この状態は、期間ｔＡの間維持される。こうすることによって、振動要素２０から、付着した煤粒子が除去される。

続いて、ブロック５６で、振動要素２０の温度Ｔが、直流電流源３６を相応に制御することによって低下する。この温度は、煤が燃焼する（約５００℃）温度ＴＡよりも下側である。内燃機関１２の作動中、排気ガス流内の煤粒子が、振動要素２０の保護膜３２の多孔質部３４に付着し、そこに付着し続ける。内燃機関１２の作動中、振動要素２０に煤粒子が堆積するのが増大する。

それに応じて、ブロック５８で、評価ユニット４０によって、振動要素２０の変化した音響特性に基づいて、蓄積された煤量ＭＲＡが求められる。蓄積された煤量ＭＲＡが所定限界値Ｇを超過すると、ブロック６０で、ブロック５４にジャンプして戻り、このブロック５４で、振動要素２０の温度Ｔが、直流電流源３６の相応の制御によって、振動要素２０に付着した煤が燃焼される温度ＴＡに上昇される。

上述の装置１４が、内燃機関１２の排気ガスから煤粒子をフィルタ除去するフィルタの下流側に設けられている場合、装置１４を用いて、フィルタの正しい機能を監視することができる。正常な場合、正確に作動するフィルタでは、振動要素２０に煤粒子は堆積していないか、大した量は堆積していない。ところが、装置１４が、フィルタの上流側に設けられている場合、検出された煤粒子量に基づいて、フィルタが損傷するかどうか予め知ることができる。

殊に、図２から分かるように、第２のメアンダ状電極３０は、圧電アクチュエータ２６内に電気エネルギを入力結合するためだけに使われるのではなく（その結果、圧電アクチュエータ２６は振動する）、振動要素２０を所望の温度に加熱することができる加熱装置３１としても使われる。温度の調整を容易にするために、サーミスタ３１は、メアンダ状に構成されている。しかし、基本的には、例えば、ストライプ状電極にして、同時に振動要素用の加熱装置として作動してもよい。

振動要素２０の他の実施例は、図６に示されている。その際、各要素及び上述の図の領域に対しして等価な機能を有するような要素及び領域は、同じ参照番号を付け、更に詳細に説明していない。

図２に示した振動要素との相違点は、図６に示した振動要素２０には、加熱装置３１（電極３０）とは別個の温度測定装置６２が設けられている点である。この温度測定装置６２は、有利には、ＰＴＣ材料製であり、それと同時に、機械的振動の励振用の第２の電極２８として使われる。温度測定装置６２と一緒に作動して、制御及び調整装置４２と接続された評価回路６４を用いて、温度測定される。こうすることによって、迅速且つ精確に温度調整することができる。両電極、加熱装置、及び、温度測定装置を各々別個の要素として構成した実施例も、基本的に可能である。

排気ガス中の粒子を検出するための装置を備えた排気ガス装置を示す図。 排気ガス中の粒子を検出するための装置を部分的に断面で斜視した図。 図２の装置の断面図。 図２の装置の作動用の第１の方法の流れ図。 図２の装置の作動用の第２の方法の流れ図。 排気ガス中の粒子の検出用装置の変形実施例を図２と同様に示した図。

符号の説明

１０ 排気ガス装置
１２ 内燃機関
１４ 排気ガス中の粒子を検出するための装置
１６ 排気ガス捕捉用ロート部
１８ 絞り
２０ 振動要素
２２ 制御及び評価装置
２４ 基板
２６ 圧電アクチュエータ
２８ 第１の電極
３０ 第２の電極
３１ メアンダ状の巻線 ３２ 保護膜 ３４ 多孔質部 ３６ 直流電流源 ３８ 発振器回路
４０ 評価ユニット
４２ 制御及び調整装置

Claims (11)

1. 排気ガス内の粒子の検出装置（１４）であって、圧電アクチュエータ（２６）を有する振動要素（２０）を備えており、該振動要素（２０）は、排気ガス流が作用するようにされており、励振装置（３８）を備えており、該励振装置（３８）は、前記振動要素（２０）を振動させることができ、評価装置（４０）を有しており、該評価装置（４０）は、前記振動要素（２０）の実際の振動特性を検出し、加熱装置（３１）を有しており、該加熱装置（３１）は、振動要素（２０）に配設されている検出装置（１４）において、
   加熱装置（３１）は、直接、振動要素（２０）に設けられていることを特徴とする検出装置（１４）。
2. 加熱装置（３１）は、振動要素（２０）の制御用に使われる少なくとも１つの電極（３０）内に統合されている請求項１記載の検出装置（１４）。
3. 加熱装置は、ストライプ状又はメアンダ状の電気加熱線（３１）を有している請求項１又は２記載の検出装置（１４）。
4. 加熱装置（３１）は、制御又は調整装置（４２）と接続されており、該制御又は調整装置（４２）を用いて、振動要素（２０）の温度が制御又は調整される請求項１から３迄の何れか１記載の検出装置（１４）。
5. 有利にはＰＴＣ材料からなる、有利にはメアンダ状のセンサ素子（６２）が、振動要素（２０）に設けられている請求項４記載の検出装置（１４）。
6. 加熱装置（３１）は、ＰＴＣ材料を有している請求項１から５迄の何れか１記載の検出装置（１４）。
7. アクチュエータ（２６）の材料は、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４又はこの変化物を有している請求項１から６迄の何れか１記載の検出装置（１４）。
8. 振動要素（２０）は少なくとも領域により保護膜（３２）を有しており、該保護膜（３２）により、アクチュエータ（２６）が排気ガス流及び／又は当該排気ガス流内に含まれている粒子との化学反応に対して保護される請求項１から７迄の何れか１記載の検出装置（１４）。
9. 保護膜（３２）は、煤粒子の付着に有利な表面多孔質部（３４）を有している請求項８記載の検出装置（１４）。
10. 請求項１から９迄の何れか１記載の検出装置（１４）を用いて、排気ガス中の粒子を検出する方法において、
    振動要素（２０）を、測定作動中、煤の燃焼温度（ＴＡ）の下側の所定温度（ＴＭ）に加熱し（５０）、前記測定作動（４８）中、検出した振動特性に基づいて、蓄積された煤量（ＭＲＡ）を検出し、前記振動要素（２０）を、再生・回復作動中（４６）、少なくとも、前記煤の前記燃焼温度（ＴＡ）に相応する所定温度に加熱することを特徴とする方法。
11. 請求項１から９迄の何れか１記載の検出装置（１４）を用いて、排気ガス中の粒子を検出する方法において、
    振動要素（２０）を、測定作動中、少なくとも、煤の燃焼温度（ＴＡ）に等しい所定温度に加熱し（４６）、前記測定作動（４８）中、検出された振動特性に基づいて、実際の煤濃度（ＭＲ）を検出することを特徴とする方法。

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