JP2007304068A - 排気微粒子の測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気微粒子の測定装置において、排気ガス中の微粒子を精度良く測定可能とする。
【解決手段】排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成すると共に、この酸化触媒７１に排気ガス中の酸素を吸蔵する酸素吸蔵剤としてのセリアを担持し、ＥＣＵ５１は、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱したときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気ガス中に含まれる排気微粒子を測定する排気微粒子の測定装置に関するものである。
燃料を吸気ポートではなく、燃焼室に直接噴射する筒内噴射式内燃機関が従来から知られている。この筒内噴射式内燃機関では、吸気弁の開放時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入されてピストンにより圧縮され、この高圧空気に対してインジェクタから燃料が直接噴射され、燃焼室内の高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排気ガスが排気ポートから排出される。
このような内燃機関では、燃焼室から排出される排気ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を含有することから、排気通路に有害物質を浄化処理する三元触媒が設けられている。また、上述した筒内噴射式内燃機関では、燃焼室にて、高圧縮によって高温となった空気に直接燃料を噴射して着火させるものであり、特に、高負荷時にエンジン出力を上昇させるために燃焼室に大量の燃料を噴射することから、燃焼室が酸欠状態となって排気ガス中に黒煙などの微粒子（ＰＭ：Particulate matter）が含まれることがある。
このように排気ガスに含まれる排気微粒子の量を測定する技術として、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された煤煙濃度を決定するためのセンサは、多孔性化された成形部材に電気的加熱部材と電気的温度プローブを設けて煤煙センサを構成し、電気的加熱部材により成形部材に堆積した煤煙粒子を燃焼し、この燃焼に起因して起こる熱の発生を電気的温度プローブで測定し、温度上昇を煤煙粒子の燃焼量についての直接の尺度として評価し、この評価から煤煙量を決定するものである。
特開２００１−２２１７５９号公報
上述した特許文献１では、電気的加熱部材により成形部材に堆積した煤煙粒子を燃焼し、電気的温度プローブによりこのときの温度上昇を測定し、この温度上昇に基づいて煤煙量を決定するものである。この場合、電気的加熱部材により成形部材に堆積した煤煙粒子を燃焼するためには、周辺に十分な酸素量が必要となる。ところが、一般的な内燃機関では、空燃比が一定値となるように吸入空気量に基づいて燃料噴射量が決定されており、この空燃比は、通常、ストイキ（理論空燃比）となるように制御される。そのため、煤煙センサの周辺に十分な酸素量がないときには、電気的加熱部材により成形部材を加熱しても、この成形部材に堆積した煤煙粒子を適正に燃焼することができず、煤煙量を高精度に測定することができないという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、排気ガス中の微粒子を精度良く測定可能とした排気微粒子の測定装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の排気微粒子の測定装置は、排気通路に配設された酸化触媒と、該酸化触媒に担持された酸素吸蔵剤と、前記酸化触媒を加熱する加熱手段と、前記酸化触媒の温度を計測する温度センサと、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱したときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段とを具えたことを特徴とするものである。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記酸化触媒は、前記排気通路に配設された三元触媒より排気ガスの流動方向の下流側で、且つ、消音器より上流側に配置されたことを特徴としている。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記堆積量算出手段は、燃料カット継続時間及び吸入空気量に基づいて前記酸素吸蔵剤による酸素吸蔵量を推定し、この酸素吸蔵量が予め設定された所定値以上であるときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴としている。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記排気通路における前記酸化触媒の近傍に酸素センサが配設され、前記堆積量算出手段は、該酸素センサの検出結果に基づいて前記酸素吸蔵剤による酸素吸蔵量を推定し、この酸素吸蔵量が予め設定された所定値以上であるときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴としている。
また、本発明の排気微粒子の測定装置は、排気通路に配設された酸化触媒と、該酸化触媒を加熱する加熱手段と、前記酸化触媒の温度を計測する温度センサと、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱したときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段とを具え、該堆積量算出手段は、燃料カット中に前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴とするものである。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記堆積量算出手段は、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子を燃焼し、前記酸化触媒が排気微粒子を燃焼不能な温度以下に低下してから吸入空気量の積算を開始し、この吸入空気量の積算値が予め設定された所定値より大きくなったときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴としている。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記排気通路における前記酸化触媒の近傍に排気温度センサが配設され、前記堆積量算出手段は、該排気温度センサにより検出された排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上になったときに、吸入空気量の積算値をキャンセルして再度吸入空気量の積算を開始することを特徴としている。
本発明の排気微粒子の測定装置では、前記堆積量算出手段は、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出するとき、リッチ運転を禁止することを特徴としている。
本発明の排気微粒子の測定装置によれば、排気通路に配設された酸化触媒に酸素吸蔵剤を担持し、この酸化触媒を加熱する加熱手段と、酸化触媒の温度を計測する温度センサを設けると共に、加熱手段により酸化触媒を加熱したときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段を設けたので、酸化触媒の酸素吸蔵剤は、常時、排気ガス中に存在するが酸素を吸蔵しており、加熱手段により酸化触媒を加熱すると、酸化触媒に捕集された排気微粒子は、酸素吸蔵剤に吸蔵されている酸素を伴って適正に燃焼することとなり、堆積量算出手段は、このときの温度上昇度合に応じて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。
以下に、本発明に係る排気微粒子の測定装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の実施例１に係る排気微粒子の測定装置が適用された内燃機関を表す概略構成図、図２は、実施例１の排気微粒子の測定装置を表す概略図、図３は、実施例１の排気微粒子の測定装置におけるセリア添加量に対するセンサ表面積を表すグラフ、図４は、実施例１の排気微粒子の測定装置におけるセリア添加量に対する排気量を表すグラフ、図５は、実施例１の排気微粒子の測定装置におけるヒータ温度に対するセンサ温度を表すグラフ、図６は、実施例１の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。
実施例１の排気微粒子の測定装置が適用された内燃機関において、図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１０は４気筒筒内噴射式であって、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部にクランクケース１５が締結され、このクランクケース１５内にクランクシャフト１６が回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１７を介してこのクランクシャフト１６にそれぞれ連結されている。
燃焼室１８は、シリンダブロック１１におけるシリンダボア１３の壁面とシリンダヘッド１２の下面とピストン１４の頂面により構成されており、この燃焼室１８は、上部（シリンダヘッド１２の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１８の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面に吸気ポート１９及び排気ポート２０が対向して形成されており、この吸気ポート１９及び排気ポート２０に対して吸気弁２１及び排気弁２２の下端部がそれぞれ位置している。この吸気弁２１及び排気弁２２は、シリンダヘッド１２に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１９及び排気ポート２０を閉止する方向（図１にて上方）に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転自在に支持されており、吸気カム２５及び排気カム２６が吸気弁２１及び排気弁２２の上端部に接触している。
なお、図示しないが、クランクシャフト１６に固結されたクランクシャフトスプロケットと、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４にそれぞれ固結された各カムシャフトシャフトスプロケットとは、無端のタイミングチェーンが掛け回されており、クランクシャフト１６と吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２４が連動可能となっている。
従って、クランクシャフト１６に同期して吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転すると、吸気カム２５及び排気カム２６が吸気弁２１及び排気弁２２を所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１９及び排気ポート２０を開閉し、吸気ポート１９と燃焼室１８、燃焼室１８と排気ポート２０とをそれぞれ連通することができる。この場合この吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４は、クランクシャフト１６が２回転（７２０度）する間に１回転（３６０度）するように設定されている。そのため、エンジン１０は、クランクシャフト１６が２回転する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程を実行することとなり、このとき、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が１回転することとなる。
また、このエンジン１０の動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁２１及び排気弁２２を最適な開閉タイミングに制御する吸気・排気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）２７，２８となっている。この吸気・排気可変動弁機構２７，２８は、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４の軸端部にＶＶＴコントローラ２９，３０が設けられて構成され、オイルコントロールバルブ３１，３２からの油圧をこのＶＶＴコントローラ２９，３０の図示しない進角室及び遅角室に作用させることによりカムスプロケットに対するカムシャフト２３，２４の位相を変更し、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を進角または遅角することができるものである。この場合、吸気・排気可変動弁機構２７，２８は、吸気弁２１及び排気弁２２の作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ３３，３４が設けられている。
吸気ポート１９には、吸気マニホールド３５を介してサージタンク３６が連結され、このサージタンク３６に吸気管３７が連結されており、この吸気管３７の空気取入口にはエアクリーナ３８が取付けられている。そして、このエアクリーナ３８の下流側にスロットル弁３９を有する電子スロットル装置４０が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８に直接燃料を噴射するインジェクタ４１が装着されており、このインジェクタ４１は、吸気ポート１９側に位置して上下方向に所定角度傾斜して配置されている。各気筒に装着されるインジェクタ４１はデリバリパイプ４２に連結され、このデリバリパイプ４２には高圧燃料供給管４３を介して高圧燃料ポンプ４４が連結されている。更に、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ４５が装着されている。
一方、排気ポート２０には、排気マニホールド４６を介して排気管（排気通路）４７が連結されており、この排気管４７には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する三元触媒４８，４９が装着されると共に、この三元触媒４９よりも下流側にマフラ（消音器）５０が装着されている。
ところで、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１が搭載されており、このＥＣＵ５１は、インジェクタ４１や点火プラグ４５などを制御可能となっている。即ち、吸気管３７の上流側にはエアフローセンサ５２及び吸気温センサ５３が装着され、また、サージタンク３６には吸気圧センサ５４が設けられており、計測した吸入空気量、吸気温度、吸気圧（吸気管負圧）をＥＣＵ５１に出力している。また、電子スロットル装置４０にはスロットルポジションセンサ５５が装着されており、現在のスロットル開度をＥＣＵ５１に出力しており、アクセルポジションセンサ５６は、現在のアクセル開度をＥＣＵ５１に出力している。更に、クランク角センサ５７は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ５１に出力し、このＥＣＵ５１は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。また、シリンダブロック１１にはエンジン冷却水温を検出する水温センサ５８が設けられており、検出したエンジン冷却水温をＥＣＵ５１に出力している。更に、各インジェクタ４１に連通するデリバリパイプ４２には燃料圧力を検出する燃圧センサ５９が設けられており、検出した燃料圧力をＥＣＵ５１に出力している。一方、排気管４７には、三元触媒４８の上流側及び下流側に位置して排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ６０，６１が設けられており、検出した酸素濃度をＥＣＵ５１に出力している。
従って、ＥＣＵ５１は、検出した燃料圧力に基づいてこの燃料圧力が所定圧力となるように高圧ポンプ４４を駆動すると共に、検出した吸入空気量、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）、噴射時期、点火時期などを決定し、インジェクタ４１及び点火プラグ４５を駆動して燃料噴射及び点火を実行する。また、ＥＣＵ５１は、検出した排気ガスの酸素濃度をフィードバックして空燃比がストイキ（理論空燃比）となるように燃料噴射量を補正している。
また、ＥＣＵ５１は、エンジン運転状態に基づいて吸気・排気可変動弁機構２７，２８を制御可能となっている。即ち、低温時、エンジン始動時、アイドル運転時や軽負荷時には、排気弁２２の閉止時期と吸気弁２１の開放時期のオーバーラップをなくすことで、排気ガスが吸気ポート１９または燃焼室１８に吹き返す量を少なくし、燃焼安定及び燃費向上を可能とする。また、中負荷時には、このオーバーラップを大きくすることで、内部ＥＧＲ率を高めて排ガス浄化効率を向上させると共に、ポンピングロスを低減して燃費向上を可能とする。更に、高負荷低中回転時には、吸気弁２１の閉止時期を進角することで、吸気が吸気ポート１９に吹き返す量を少なくし、体積効率を向上させる。そして、高負荷高回転時には、吸気弁２１の閉止時期を回転数にあわせて遅角することで、吸入空気の慣性力に合わせたタイミングとし、体積効率を向上させる。
本実施例のエンジン１０にて、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子、具体的には、黒煙などの微粒子（ＰＭ：Particulate matter）の量を計測するＰＭセンサ６２が設けられている。このＰＭセンサ６２は、図２に示すように、箱型形状をなし、酸化触媒７１とこの酸化触媒７１を加熱する加熱手段としての電気ヒータ７２が重ね合わされるように密着して固定され、酸化触媒７１と電気ヒータ７２との間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３が介装されて構成されている。
この酸化触媒７１は、例えば、セラミックスの多孔部材により多数の排気流路を形成し、酸化触媒としての白金やパラジウムなどの金属が担持されている。また、酸化触媒７１には、排気ガス中の酸素を吸蔵する酸素吸蔵剤としてのセリアが担持されている。この場合、セリアの添加量は、図３に示すように、ＰＭセンサ６２（酸化触媒７１）の表面積に応じて設定されると共に、図４に示すように、エンジン１０の排気量に応じて設定される。
従って、ＰＭセンサ６２は、酸化触媒７１が排気ガス中のＨＣ、ＣＯ成分を酸化（酸素と反応）してＣＯ2、Ｈ2Ｏに変換することができると共に、排気ガスが多孔部材を通過することで、この排気ガス中の微粒子、特に、黒煙粒子を捕集することができる。また、酸化触媒７１は、セリアが担持されているため、排気ガス中の酸素を吸蔵することができる。そして、ＰＭセンサ６２に排気微粒子が捕集されて所定量堆積した状態で、且つ、酸化触媒７１における酸素吸蔵量が十分であるときに、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されることで、堆積している排気微粒子がセリアに吸蔵されている酸素を利用して燃焼することとなり、堆積量算出手段としてのＥＣＵ５１は、このときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出することができる。
即ち、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されるため、図５に実線で示すように、ヒータ温度が上昇するのに伴って温度センサが検出した酸化触媒７１の温度（センサ温度）が比例して上昇する。このとき、酸化触媒７１に排気微粒子が堆積していると、酸化触媒７１の温度が排気微粒子を燃焼可能な温度まで上昇した時点で、この排気微粒子が燃焼することで、図５に一点鎖線で示すように、温度センサが検出した酸化触媒７１の温度（センサ温度）が急激に上昇する。そして、酸化触媒７１の排気微粒子が全て燃焼すると、センサ温度が急激に低下する。従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１が排気微粒子を捕集する期間の吸入空気量と、このときの温度上昇量とに基づいて所定のマップを用いて排気微粒子の堆積量を算出することができる。
なお、ＰＭセンサ６２は、排気管４７に配設された三元触媒４９よりも排気ガスの流動方向の下流側で、且つ、マフラ５０よりも排気ガスの流動方向の上流側に配置されている。この場合、エンジン１０の高負荷運転状態では、排気ガス温度が排気微粒子を燃焼してしまう６５０℃以上まで上昇するため、高温の排気ガスによりＰＭセンサ６２に堆積している排気微粒子までも燃焼し、堆積量の測定ができなくなってしまう。そこで、ＰＭセンサ６２を、排気ガス温度が排気微粒子を燃焼できない温度、例えば、６００℃まで低下する、三元触媒４９から排気ガスの流動方向に所定距離だけ離れた下流位置に配置する。また、排気管４７の下流側の端部が大気に開放されていることから、エンジン１０の冷間始動時には、凝縮水がＰＭセンサ６２に到達して破損などが発生するおそれがあるため、ＰＭセンサ６２を、排気管４７の端部に装着されたマフラ５０から排気ガスの流動方向に所定距離だけ離れた上流位置に配置する。
ここで、本実施例の排気微粒子の測定装置における排気微粒子の測定方法について、図６のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
ステップＳ１１にて、ＥＣＵ５１は、エンジン１０が完全に暖機されたかどうかを判定する。即ち、ＥＣＵ５１は、水温センサ５８により検出されたエンジン冷却水温が予め設定されたエンジン暖機水温以上になったかどうかを判定する。ここで、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温に到達していないと判定されたら、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温以上になったと判定されたら、ステップＳ１２に移行する。
ステップＳ１２にて、ＥＣＵ５１は、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ１３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを判定する。この場合、電気ヒータ７２に通電すると、図５に一点鎖線示すように、酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が燃焼して酸化触媒７１の温度（センサ温度）が急激に上昇するが、全ての排気微粒子が燃焼すると、センサ温度が急激に低下し、図５に実線で示す変化に戻る。ＥＣＵ５１は、このセンサ温度変化に基づいて排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを判定する。そして、ステップＳ１３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼するまで、ステップＳ１２，Ｓ１３の処理を繰り返す。
ステップＳ１３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼されたと判定されたら、ステップＳ１４にて、ＥＣＵ５１は、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止する。そして、ステップＳ１５にて、温度センサ７３が酸化触媒７１の温度を計測し、ステップＳ１６にて、温度センサ７３により計測された酸化触媒７１の温度ｔPMが、排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したかどうかを判定する。このステップＳ１６で、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下するまで、ステップＳ１５，Ｓ１６の処理を繰り返す。
ステップＳ１６にて、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したと判定されたら、ステップＳ１７にて、吸入空気量の積算を開始する。この場合、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下してから、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量を積算していく。そして、ステップＳ１８にて、この吸入空気量の積算値Σｇａが予め設定された所定値Ａより大きくなったかどうかを判定する。このステップＳ１８で、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなるまで、ステップＳ１７，Ｓ１８の処理を繰り返す。
ステップＳ１８にて、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなったと判定されたら、ステップＳ１９にて、ＥＣＵ５１は、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在しているかどうかを判定する。本実施例では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１にセリアが担持されているため、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下し、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量の積算処理を開始してからの所定の空気量積算期間に、酸化触媒７１のセリアの周辺環境が酸素を吸蔵可能な環境にあったかどうかを判定する。即ち、この空気量積算期間にて、燃料カット制御の継続時間または積算時間が予め設定された所定時間以上で、且つ、吸入空気量の積算値が予め設定された所定積算値以上であるかを判定することで、セリアによる酸素吸蔵量を推定する。
このステップＳ１９で、燃料カット制御の継続時間または積算時間が所定時間以上でなかったり、吸入空気量の積算値が所定積算値以上でなかったときには、酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵していないと判定し、ステップＳ１７〜Ｓ１９の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１９にて、燃料カット制御の継続時間または積算時間が所定時間以上で、且つ、吸入空気量の積算値が所定積算値以上であるときには、酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵していると判定し、ステップＳ２０に移行する。
そして、ステップＳ２０にて、ＥＣＵ５１は、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ２１にて、このときの酸化触媒７１の温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する。即ち、上述した空気量積算期間に計測した吸入空気量の積算値と、温度センサ７３が検出した酸化触媒７１の温度上昇量とに基づいて所定のマップを用いて排気微粒子の堆積量を算出する。
ステップＳ２２では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼することで、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したかどうかを判定する。この場合、酸化触媒７１に堆積した排気微粒子が燃焼することで急激に上昇した酸化触媒７１の温度（センサ温度）が低下し、図５に実線で示す変化に戻ることで判定する。そして、ステップＳ２２にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了するまで、ステップＳ２０〜Ｓ２２の処理を繰り返す。
従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、このときの温度変化に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するとき、酸化触媒７１の周囲を流れる排気ガス中に酸素が存在しなくても、セリアに吸蔵されている酸素を用いて排気微粒子を確実に燃焼することができ、排気微粒子の堆積量が適正に算出されることとなる。
その後、ステップＳ２２にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したと判定されたら、ステップＳ２３にて、ＥＣＵ５１は、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止し、全ての処理を終了する。
このように実施例１の排気微粒子の測定装置にあっては、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成すると共に、この酸化触媒７１に排気ガス中の酸素を吸蔵する酸素吸蔵剤としてのセリアを担持し、ＥＣＵ５１は、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱したときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するようにしている。
従って、酸化触媒７１のセリアは、常時、排気ガス中に存在するが酸素を吸蔵しており、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱すると、酸化触媒７１に捕集された排気微粒子は、セリアに吸蔵されている酸素を伴って適正に燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。その結果、エンジン１０がストイキ（理論空燃比）で運転していても、酸化触媒７１のセリアが燃料カット制御中などに排気ガスに混入する酸素を確実に吸蔵するため、確実に排気微粒子の堆積量を算出することができる。
また、ＥＣＵ５１は、事前に、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したら、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量の積算処理を開始するようにしている。従って、測定前に、酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼すると共に、酸化触媒７１の温度を排気微粒子が燃焼しない温度まで低下させることで、測定誤差をなくすことができる。
更に、ＥＣＵ５１は、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量の積算処理を開始してからの所定の空気量積算期間に、燃料カット制御の継続時間または積算時間が予め設定された所定時間以上で、且つ、吸入空気量の積算値が予め設定された所定積算値以上であるかを判定することで、セリアによる酸素吸蔵量を推定している。従って、燃料カット制御と吸入空気量に基づいてセリアの酸素吸蔵量を推定することで、既存の設備で高精度に酸素量を計測し、排気微粒子の堆積量の算出処理を適正に実行することができる。
そして、本実施例では、ＰＭセンサ６２を、排気管４７に配設された三元触媒４９よりも排気ガスの流動方向の下流側で、且つ、マフラ５０よりも排気ガスの流動方向の上流側に配置している。従って、エンジン１０を高負荷運転して排気ガス温度が排気微粒子を燃焼してしまう６５０℃以上まで上昇しても、排気ガスがＰＭセンサ６２に至るまでにその温度が排気微粒子を燃焼できない温度まで低下することとなり、適正に排気微粒子の堆積量を算出することができる。また、エンジン１０の冷間始動であっても、凝縮水がＰＭセンサ６２に到達することはなく、破損などの発生を防止することができる。
図７は、本発明の実施例２に係る排気微粒子の測定装置が適用された内燃機関を表す概略構成図、図８は、実施例２の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例２の排気微粒子の測定装置において、図７に示すように、エンジン１０の基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。本実施例では、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２が設けられている。このＰＭセンサ６２は、図２に示すように、酸化触媒７１と電気ヒータ７２と温度センサ７３とから構成されており、酸化触媒７１には、排気ガス中の酸素を吸蔵するセリアが担持されている。また、本実施例では、排気管４７におけるＰＭセンサ６２の近傍に酸素センサ（Ｏ2センサ）６３が配設されている。
従って、ＰＭセンサ６２は、排気管４７を流動する排気ガス中の微粒子、特に、黒煙粒子を捕集することができ、酸化触媒７１に担持されたセリアが排気ガス中の酸素を吸蔵することができる。そして、ＰＭセンサ６２に排気微粒子が捕集されて所定量堆積した状態で、且つ、酸素センサ６３の検出結果に基づいて酸化触媒７１における酸素吸蔵量が十分であるときに、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されることで、堆積している排気微粒子がセリアに吸蔵されている酸素を利用して燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出することができる。
ここで、本実施例の排気微粒子の測定装置における排気微粒子の測定方法について、図８のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
ステップＳ３１にて、エンジン１０が完全に暖機されたかどうか、即ち、水温センサ５８により検出されたエンジン冷却水温が予め設定されたエンジン暖機水温以上になったかどうかを判定する。ここで、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温に到達したら、ステップＳ３２にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ３３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを、酸化触媒７１の温度変化に基づいて判定する。
このステップＳ３３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼されたと判定されたら、ステップＳ３４にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止する。そして、ステップＳ３５にて、温度センサ７３が酸化触媒７１の温度を計測し、ステップＳ３６にて、温度センサ７３により計測された酸化触媒７１の温度ｔPMが、排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したかどうかを判定する。ここで、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したと判定されたら、ステップＳ３７にて、吸入空気量の積算を開始する。そして、ステップＳ３８にて、この吸入空気量の積算値Σｇａが予め設定された所定値Ａより大きくなったかどうかを判定する。
このステップＳ３８にて、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなったと判定されたら、ステップＳ３９にて、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在しているかどうかを判定する。本実施例では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１にセリアが担持されているため、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下し、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量の積算処理を開始してからの所定の空気量積算期間に、酸化触媒７１のセリアの周辺環境が酸素を吸蔵可能な環境にあったかどうかを判定する。即ち、この空気量積算期間にて、酸素センサ６３が酸素を検出した検出履歴に基づいてセリアによる酸素吸蔵量を推定する。
酸素センサ６３は、一般的に、排気ガス中の酸素の濃度に応じて発生する起電力に基づいて酸素濃度を検出するものである。つまり、排気ガスが内部の検出素子に導入されると、内側白金電極と外側白金電極との間に酸素濃度の差が生じ、酸素濃度の高い内側白金電極から酸素濃度の低い外側白金電極へジルコニア固体電解質を通って酸素イオンが流れて起電力が発生する。この場合、リッチ混合気で燃焼すると、排気ガス中に残存する酸素が少ないため、外側白金電極の触媒作用により微量の酸素が排気ガス中の一酸化炭素や炭化水素と反応し、外側白金電極の表面に酸素がほとんどなくなり、内側白金電極との酸素濃度差が最大となって大きな起電力が発生する。一方、リーン混合気で燃焼すると、排気ガス中に残存する酸素が多いため、外側白金電極の触媒作用により多量の酸素が排気ガス中の微量の一酸化炭素や炭化水素と反応し、外側白金電極の表面に余剰の酸素が残存することとなり、内側白金電極との酸素濃度差が小さくなって起電力がほとんど発生しない。そのため、理論空燃比を境として起電力の大きな変化をえることができ、この起電力に基づいて酸素濃度を検出することができる。
従って、このステップＳ３９では、空気量積算期間にて、酸素センサ６３で発生した起電力に基づいて、排気ガスがリーン状態である期間が予め設定された所定期間以上あったときに、酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵していると判定する。そして、このステップＳ３９で、酸素センサ６３の検出結果に基づいて酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵していると判定したときには、ステップＳ４０に移行する。
そして、ステップＳ４０にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ４１にて、このときの酸化触媒７１の温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する。即ち、上述した空気量積算期間に計測した吸入空気量の積算値と、温度センサ７３が検出した酸化触媒７１の温度上昇量とに基づいて所定のマップを用いて排気微粒子の堆積量を算出する。ステップＳ４２では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼することで、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したかどうかを判定する。
従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、このときの温度変化に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するとき、酸化触媒７１の周囲を流れる排気ガス中に酸素が存在しなくても、セリアに吸蔵されている酸素を用いて排気微粒子を確実に燃焼することができ、排気微粒子の堆積量が適正に算出されることとなる。
その後、ステップＳ４２にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したと判定されたら、ステップＳ４３にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止し、ＥＣＵ５１は、全ての処理を終了する。
このように実施例２の排気微粒子の測定装置にあっては、排気管４７に排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成すると共に、この酸化触媒７１に排気ガス中の酸素を吸蔵する酸素吸蔵剤としてのセリアを担持し、ＥＣＵ５１は、酸素センサ６３の検出結果に基づいてセリアが十分な酸素量を吸蔵しているかを判定し、セリアが十分な酸素量を吸蔵していると判定したときには、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱し、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するようにしている。
従って、酸化触媒７１のセリアは、常時、排気ガス中に存在するが酸素を吸蔵することができ、酸素センサ６３の検出結果に基づいてセリアが十分な酸素量を吸蔵していることを確認することができ、このとき、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱すると、酸化触媒７１に捕集された排気微粒子は、セリアに吸蔵されている酸素を伴って適正に燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。その結果、エンジン１０がストイキ（理論空燃比）で運転していても、酸化触媒７１のセリアが燃料カット制御中などに排気ガスに混入する酸素を確実に吸蔵するため、確実に排気微粒子の堆積量を算出することができる。
図９は、本発明の実施例３の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。なお、本実施例の排気微粒子の測定装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１及び図２を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例３の排気微粒子の測定装置において、図１及び図２に示すように、エンジン１０の基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。本実施例では、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２が設けられている。このＰＭセンサ６２は、図２に示すように、酸化触媒７１と電気ヒータ７２と温度センサ７３とから構成されており、酸化触媒７１には、排気ガス中の酸素を吸蔵するセリアが担持されている。そして、本実施例では、排気ガス温度を計測する排気温度センサとして、ＰＭセンサ６２内の温度センサ７３を適用している。
従って、ＰＭセンサ６２は、排気管４７を流動する排気ガス中の微粒子、特に、黒煙粒子を捕集することができ、酸化触媒７１に担持されたセリアが排気ガス中の酸素を吸蔵することができる。そして、ＰＭセンサ６２に排気微粒子が捕集されて所定量堆積した状態で、且つ、酸化触媒７１における酸素吸蔵量が十分であるときに、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されることで、堆積している排気微粒子がセリアに吸蔵されている酸素を利用して燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出することができる。そして、本実施例では、温度センサ７３により検出された排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上になったときには、吸入空気量の積算値をキャンセルして再度吸入空気量の積算を開始するようにしている。
ここで、本実施例の排気微粒子の測定装置における排気微粒子の測定方法について、図９のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
ステップＳ５１にて、エンジン１０が完全に暖機されたかどうか、即ち、水温センサ５８により検出されたエンジン冷却水温が予め設定されたエンジン暖機水温以上になったかどうかを判定する。ここで、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温に到達したら、ステップＳ５２にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ５３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを、酸化触媒７１の温度変化に基づいて判定する。
このステップＳ５３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼されたと判定されたら、ステップＳ５４にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止する。そして、ステップＳ５５にて、温度センサ７３が酸化触媒７１の温度を計測し、ステップＳ５６にて、温度センサ７３により計測された酸化触媒７１の温度ｔPMが、排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したかどうかを判定する。ここで、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したと判定されたら、ステップＳ５７にて、吸入空気量の積算を開始する。そして、ステップＳ５８にて、この吸入空気量の積算値Σｇａが予め設定された所定値Ａより大きくなったかどうかを判定する。
このステップＳ５８にて、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなったと判定されたら、ステップＳ５９にて、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在しているかどうかを判定する。本実施例では、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下し、エアフローセンサ５２により検出された吸入空気量の積算処理を開始してからの所定の空気量積算期間にて、燃料カット制御の継続時間または積算時間が予め設定された所定時間以上で、且つ、吸入空気量の積算値が予め設定された所定積算値以上であるかを判定することで、セリアによる酸素吸蔵量を推定する。
このステップＳ５９で、燃料カット制御の継続時間または積算時間が所定時間以上で、且つ、吸入空気量の積算値が所定積算値以上であるときには、酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵していると判定し、ステップＳ６０に移行する。ステップＳ６０では、温度センサ７３により検出された排気ガス温度が所定値以上、つまり、ＰＭセンサ６２の周辺を通過する排気ガス温度が酸化触媒７１に堆積する排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上であるかどうかを判定する。ここで、温度センサ７３により検出されたＰＭセンサ６２の周辺を通過する排気ガス温度が、排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上であると判定されたら、ステップＳ６１にて、ステップＳ５７の処理で算出した吸入空気量の積算値をキャンセルし、ステップＳ５５に戻り、ステップＳ５５以降の処理で、再度、吸入空気量の積算をやり直す。
即ち、温度センサ７３により検出された排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上であると、この高温の排気ガスにより酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が燃焼してしまい、吸入空気量の積算値と排気微粒子の堆積量とが不適合となり、正確な排気微粒子の堆積量の測定ができなくなってしまう。そのため、このときには、保持している吸入空気量の積算値をキャンセルし、吸入空気量の積算をやり直すようにしている。
一方、ステップＳ６０で、温度センサ７３により検出されたＰＭセンサ６２の周辺を通過する排気ガス温度が、排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上ではないと判定されたら、ステップＳ６２にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ６３にて、このときの酸化触媒７１の温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する。ステップＳ６４では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼することで、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したかどうかを判定する。
従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、このときの温度変化に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するとき、温度センサ７３により検出された排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上であるときには、既に算出した吸入空気量の積算値をキャンセルし、新たに吸入空気量の積算を実行することで、排気微粒子の堆積量が適正に算出されることとなる。
その後、ステップＳ６４にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したと判定されたら、ステップＳ６５にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止し、ＥＣＵ５１は、全ての処理を終了する。
このように実施例３の排気微粒子の測定装置にあっては、排気管４７に排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成すると共に、この酸化触媒７１に排気ガス中の酸素を吸蔵する酸素吸蔵剤としてのセリアを担持し、ＥＣＵ５１は、セリアが十分な酸素量を吸蔵していると共に、ＰＭセンサ６２を通過する排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上でないときには、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱し、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するようにしている。
従って、酸化触媒７１のセリアは、常時、排気ガス中に存在するが酸素を吸蔵することができ、セリアが十分な酸素量を吸蔵していることを確認し、酸化触媒７１を通過する排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上でないときに、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱すると、酸化触媒７１に捕集された排気微粒子は、セリアに吸蔵されている酸素を伴って適正に燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。一方、酸化触媒７１を通過する排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上であるときには、保持している吸入空気量の積算値をキャンセルし、吸入空気量の積算をやり直すことで、吸入空気量の積算値に対して適正な排気微粒子の堆積量を求めることができる。その結果、エンジン１０がストイキ（理論空燃比）で運転していても、酸化触媒７１のセリアが燃料カット制御中などに排気ガスに混入する酸素を確実に吸蔵するため、確実に排気微粒子の堆積量を算出することができる。
図１０は、本発明の実施例４の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。なお、本実施例の排気微粒子の測定装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１及び図２を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例４の排気微粒子の測定装置において、図１及び図２に示すように、エンジン１０の基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。本実施例では、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２が設けられている。このＰＭセンサ６２は、図２に示すように、酸化触媒７１と電気ヒータ７２と温度センサ７３とから構成されているが、酸化触媒７１には、酸素吸蔵剤としてのセリアは担持されていない。
従って、ＰＭセンサ６２は、排気管４７を流動する排気ガス中の微粒子、特に、黒煙粒子を捕集することができる。そして、ＰＭセンサ６２に排気微粒子が捕集されて所定量堆積した状態で、且つ、排気ガス中に酸素が十分に含まれているときに、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されることで、堆積している排気微粒子が排気ガス中のる酸素を利用して燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出することができる。
ここで、本実施例の排気微粒子の測定装置における排気微粒子の測定方法について、図１０のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
ステップＳ７１にて、エンジン１０が完全に暖機されたかどうか、即ち、水温センサ５８により検出されたエンジン冷却水温が予め設定されたエンジン暖機水温以上になったかどうかを判定する。ここで、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温に到達したら、ステップＳ７２にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ７３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを、酸化触媒７１の温度変化に基づいて判定する。
このステップＳ７３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼されたと判定されたら、ステップＳ７４にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止する。そして、ステップＳ７５にて、温度センサ７３が酸化触媒７１の温度を計測し、ステップＳ７６にて、温度センサ７３により計測された酸化触媒７１の温度ｔPMが、排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したかどうかを判定する。ここで、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したと判定されたら、ステップＳ７７にて、吸入空気量の積算を開始する。そして、ステップＳ７８にて、この吸入空気量の積算値Σｇａが予め設定された所定値Ａより大きくなったかどうかを判定する。
このステップＳ７８にて、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなったと判定されたら、ステップＳ７９にて、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在しているかどうかを判定する。本実施例では、現在、燃料カット制御の実行中であるかを判定することで、排気ガス中に酸素が存在するかどうかを推定する。
このステップＳ７９で、燃料カット制御の実行中であるときには、酸化触媒７１の周辺に十分な酸素量が存在していると判定し、ステップＳ８０に移行する。ステップＳ８０では、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ８１にて、このときの酸化触媒７１の温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する。ステップＳ８２では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼することで、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したかどうかを判定する。
従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、このときの温度変化に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するとき、排気ガス中に存在する酸素を用いて排気微粒子を確実に燃焼することができ、排気微粒子の堆積量が適正に算出されることとなる。
その後、ステップＳ８２にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したと判定されたら、ステップＳ８３にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止し、ＥＣＵ５１は、全ての処理を終了する。
このように実施例４の排気微粒子の測定装置にあっては、排気管４７に排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成し、ＥＣＵ５１は、燃料カット制御を実行中であるときに排気ガス中に十分な酸素量が存在するとし、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱し、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するようにしている。
従って、燃料カット制御を実行しているときは、排気ガスがリーン雰囲気となって排気ガス中に十分な酸素量が存在することとなり、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱すると、酸化触媒７１に捕集された排気微粒子は、排気ガス中の酸素を伴って適正に燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。その結果、エンジン１０がストイキ（理論空燃比）で運転していても、酸化触媒７１のセリアが燃料カット制御中などに排気ガスに混入する酸素を確実に吸蔵するため、確実に排気微粒子の堆積量を算出することができる。
図１１は、本発明の実施例５の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。なお、本実施例の排気微粒子の測定装置における全体構成は、上述した実施例１とほぼ同様であり、図１及び図２を用いて説明すると共に、この実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例５の排気微粒子の測定装置において、図１及び図２に示すように、エンジン１０の基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様であるため、説明は省略する。本実施例では、排気管４７における三元触媒４９とマフラ５０との間に、排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２が設けられている。このＰＭセンサ６２は、図２に示すように、酸化触媒７１と電気ヒータ７２と温度センサ７３とから構成されている。
従って、ＰＭセンサ６２は、排気管４７を流動する排気ガス中の微粒子、特に、黒煙粒子を捕集することができる。そして、ＰＭセンサ６２に排気微粒子が捕集されて所定量堆積した状態で、且つ、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が十分に存在しているときに、電気ヒータ７２に通電すると、酸化触媒７１が加熱されることで、堆積している排気微粒子が周辺の酸素を利用して燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出することができる。本実施例では、この排気微粒子の堆積量を算出する間、エンジン１０のリッチ運転を禁止するようにしている。
ここで、本実施例の排気微粒子の測定装置における排気微粒子の測定方法について、図１１のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
ステップＳ９１にて、エンジン１０が完全に暖機されたかどうか、即ち、水温センサ５８により検出されたエンジン冷却水温が予め設定されたエンジン暖機水温以上になったかどうかを判定する。ここで、エンジン冷却水温がエンジン暖機水温に到達したら、ステップＳ９２にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ９３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼したかどうかを、酸化触媒７１の温度変化に基づいて判定する。
このステップＳ９３にて、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼されたと判定されたら、ステップＳ９４にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止する。そして、ステップＳ９５にて、温度センサ７３が酸化触媒７１の温度を計測し、ステップＳ９６にて、温度センサ７３により計測された酸化触媒７１の温度ｔPMが、排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したかどうかを判定する。ここで、酸化触媒７１の温度ｔPMが排気微粒子を燃焼不能な温度ｔA以下に低下したと判定されたら、ステップＳ９７にて、吸入空気量の積算を開始する。そして、ステップＳ９８にて、この吸入空気量の積算値Σｇａが予め設定された所定値Ａより大きくなったかどうかを判定する。
このステップＳ９８にて、吸入空気量の積算値Σｇａが所定値Ａより大きくなったと判定されたら、ステップＳ９９にて、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在しているかどうかを判定する。ここで、酸化触媒７１に酸素吸蔵剤としてのセリアが担持されているときには、上述した実施例１、２、３と同様に、燃料カット制御の継続時間または積算時間に基づいて酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵しているかどうかを判定したり、酸素センサ６３の検出結果に基づいて酸化触媒７１のセリアが十分な酸素量を吸蔵しているかどうかを判定すればよい。また、酸化触媒７１に酸素吸蔵剤としてのセリアが担持されていないときには、燃料カット制御の実行中であるかを判定することで、排気ガス中に酸素が存在することを推定し、ＰＭセンサ６２の周辺に酸素が存在するかどうかを推定すればよい。
このステップＳ９９で、酸化触媒７１の周辺に十分な酸素量が存在していると判定したときには、ステップＳ１００に移行し、ここで、ＥＣＵ５１は、エンジン１０のリッチ運転を禁止する。即ち、ＰＭセンサ６２が排気微粒子の堆積量を算出するとき、エンジン１０がリッチ運転を行って排気ガスがリッチ雰囲気になると、酸化触媒７１の周辺に存在する酸素がリッチ雰囲気の排気ガスの酸化処理に使用されてしまい、酸化触媒７１に堆積した排気微粒子を燃焼するための酸素量が減少してしまう。
そして、ステップＳ１００で、エンジン１０のリッチ運転を禁止した後、ステップＳ１０１では、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２に通電して酸化触媒７１を加熱することで、この酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼する。そして、ステップＳ１０２にて、このときの酸化触媒７１の温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する。ステップＳ１０３では、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子が完全に燃焼することで、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したかどうかを判定する。
従って、ＰＭセンサ６２の酸化触媒７１に堆積している排気微粒子を燃焼し、このときの温度変化に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するとき、エンジン１０のリッチ運転を禁止することで、酸化触媒７１の周辺に存在する酸素を用いて排気微粒子を確実に燃焼することができ、排気微粒子の堆積量が適正に算出されることとなる。
その後、ステップＳ１０３にて、排気微粒子の堆積量の算出処理が終了したと判定されたら、ステップＳ１０４にて、ＰＭセンサ６２における電気ヒータ７２への通電を停止し、ステップＳ１０５で、エンジン１０のリッチ運転の禁止を解除し、ＥＣＵ５１は、全ての処理を終了する。
このように実施例５の排気微粒子の測定装置にあっては、排気管４７に排気ガス中の微粒子の量を計測するＰＭセンサ６２を設け、このＰＭセンサ６２を、酸化触媒７１と電気ヒータ７２を重ね合わせるように固定し、両者の間に酸化触媒７１の温度を計測する温度センサ７３を介装して構成し、ＥＣＵ５１は、酸化触媒７１の周辺に十分な酸素量が存在するとき、エンジン１０のリッチ運転を禁止した後、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱し、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて排気微粒子の堆積量を算出するようにしている。
従って、酸化触媒７１の周辺に十分な酸素量が存在するとき、エンジン１０のリッチ運転を禁止することで、酸化触媒７１の周辺に存在する酸素がリッチ雰囲気の排気ガスの酸化処理に使用されることはなく、電気ヒータ７２により酸化触媒７１を加熱すると、酸化触媒７１に捕集された排気微粒子は、周辺に存在する酸素を伴って適正に燃焼することとなり、ＥＣＵ５１は、このときの温度上昇量と吸入空気量の積算値に基づいて精度良く排気微粒子の堆積量を算出することができる。その結果、エンジン１０がストイキ（理論空燃比）で運転していても、酸化触媒７１のセリアが燃料カット制御中などに排気ガスに混入する酸素を確実に吸蔵するため、確実に排気微粒子の堆積量を算出することができる。
なお、上述した各実施例では、筒内噴射式エンジン１０において、排気管４７に配設したＰＭセンサ６２により酸化触媒７１に堆積した排気微粒子を燃焼し、その温度変化に基づいて排気ガス中の排気微粒子の排出量を推定するようにしたが、この推定した排気微粒子の排出量に基づいてこの排出量が減少するように、燃料噴射量や空燃比を変更してエンジン１０を制御してもよい。
以上のように、本発明に係る排気微粒子の測定装置は、十分な酸素量を確保して捕集した排気微粒子を燃焼することで、その温度変化により排気ガス中の微粒子量を精度良く測定可能とするものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
本発明の実施例１に係る排気微粒子の測定装置が適用された内燃機関を表す概略構成図である。 実施例１の排気微粒子の測定装置を表す概略図である。 実施例１の排気微粒子の測定装置におけるセリア添加量に対するセンサ表面積を表すグラフである。 実施例１の排気微粒子の測定装置におけるセリア添加量に対する排気量を表すグラフである。 実施例１の排気微粒子の測定装置におけるヒータ温度に対するセンサ温度を表すグラフである。 実施例１の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る排気微粒子の測定装置が適用された内燃機関を表す概略構成図である。 実施例２の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。 実施例３の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。 実施例４の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。 実施例５の排気微粒子の測定装置における測定制御を表すフローチャートである。
符号の説明
１０ エンジン
４７ 排気管（排気通路）
４８，４９ 三元触媒
５０ マフラ（消音器）
５１ 電子制御ユニット、ＥＣＵ（堆積量算出手段）
５２ エアフローセンサ
５８ 水温センサ
６２ ＰＭセンサ
６３ 酸素センサ
７１ 酸化触媒（酸素吸蔵剤）
７２ 電気ヒータ（加熱手段）
７３ 温度センサ（排気温度センサ）

Claims (8)

  1. 排気通路に配設された酸化触媒と、該酸化触媒に担持された酸素吸蔵剤と、前記酸化触媒を加熱する加熱手段と、前記酸化触媒の温度を計測する温度センサと、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱したときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段とを具えたことを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  2. 請求項１に記載の排気微粒子の測定装置において、前記酸化触媒は、前記排気通路に配設された三元触媒より排気ガスの流動方向の下流側で、且つ、消音器より上流側に配置されたことを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  3. 請求項１または２に記載の排気微粒子の測定装置において、前記堆積量算出手段は、燃料カット継続時間及び吸入空気量に基づいて前記酸素吸蔵剤による酸素吸蔵量を推定し、この酸素吸蔵量が予め設定された所定値以上であるときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  4. 請求項１または２に記載の排気微粒子の測定装置において、前記排気通路における前記酸化触媒の近傍に酸素センサが配設され、前記堆積量算出手段は、該酸素センサの検出結果に基づいて前記酸素吸蔵剤による酸素吸蔵量を推定し、この酸素吸蔵量が予め設定された所定値以上であるときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  5. 排気通路に配設された酸化触媒と、該酸化触媒を加熱する加熱手段と、前記酸化触媒の温度を計測する温度センサと、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱したときの温度上昇度合に応じて排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段とを具え、該堆積量算出手段は、燃料カット中に前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の排気微粒子の測定装置において、前記堆積量算出手段は、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子を燃焼し、前記酸化触媒が排気微粒子を燃焼不能な温度以下に低下してから吸入空気量の積算を開始し、この吸入空気量の積算値が予め設定された所定値より大きくなったときに前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  7. 請求項６に記載の排気微粒子の測定装置において、前記排気通路における前記酸化触媒の近傍に排気温度センサが配設され、前記堆積量算出手段は、該排気温度センサにより検出された排気ガス温度が排気微粒子を燃焼可能な燃焼温度以上になったときに、吸入空気量の積算値をキャンセルして再度吸入空気量の積算を開始することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
  8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の排気微粒子の測定装置において、前記堆積量算出手段は、前記加熱手段により前記酸化触媒を加熱して排気微粒子の堆積量を算出するとき、リッチ運転を禁止することを特徴とする排気微粒子の測定装置。
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