JP2008064621A

JP2008064621A - 微粒子センサ

Info

Publication number: JP2008064621A
Application number: JP2006243131A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Katsuyama; 恭介勝山; Masanobu Kito; 賢信鬼頭; Yukio Miyairi; 由紀夫宮入
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】微粒子の車上診断に使用し得るセンサを提供する。
【解決手段】ガス流路に垂直な断面の一部またはガス流路とは異なる第２の流路上で微粒子を捕集する微粒子捕集手段と、前記微粒子捕集手段に備えられた少なくとも２つの電極
を備えた微粒子センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は微粒子（ＰＭ）センサに関し、更に詳しくは、内燃機関排気系の微粒子排出量検知および微粒子規制に対する車上診断（ＯＢＤ）に利用できる微粒子センサに関する。

自動車の排気ガスに含まれる有害物質への排出量規制は厳しくなる一方であり、米国では２０１０年には排出量の車載診断装置が必須となると言われている。

また、ガソリン車であっても筒内へ燃料を直接噴射する方式であると、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）を搭載したディーゼル車よりも多くの微粒子（ＰＭ）を排出しているという報告もある。

特許文献１には、光源から放射される光を排気ガスの流れの中を透過させて受光部により受光し、パティキュレート濃度との間に一定の相関関数を有する排気ガスの光の不透過度を検出し、制御手段においてパティキュレート濃度に換算する技術が開示されている。

特許文献２には、微粒子堆積量の検知方法として、フィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧を差圧センサにより検出し、検出した差圧に基づき微粒子堆積量を決定する方法が開示されている。また、運転時間、運転条件によるエンジンからの微粒子発生量予測を併用して、フィルタへの微粒子堆積量を推定する方法（モデリング法）も知られている。
特開平０４−２０３４１３号公報特開昭６０−４７９３７号公報

特許文献１に開示の発明のように光を排気ガス管中に透過し、その不透過度を測定する方法では、排気ガス流全体が測定できるが、発光・受光部の窓が汚れて徐々に精度が悪化するという問題がある。

特許文献２に開示の差圧に基づき微粒子堆積量を決定する方法について検討すると、微粒子捕集フィルタにおいては、微粒子の堆積量に対して、フィルタの圧力損失がヒステリシスを持つ場合が多く、フィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧のみから微粒子堆積量を一義的に検知することは不可能な場合が多い。例えば、ディーゼルエンジンの排気微粒子を捕集するウォールフロー型のセラミックフィルタ（ＤＰＦ）では、低温で微粒子を捕集し続けた後、フィルタ細孔内にコートされた触媒が活性となる温度に一時的に昇温すると、細孔内に堆積した微粒子が酸化除去され、わずかな細孔内微粒子の酸化消滅により大幅に圧力損失が低下するため、堆積微粒子量と圧力損失との関係はヒステリシスを示し、同一の圧力損失でも、堆積微粒子の量が大きく異なる状態が生じ得ることになる。したがって、このような微粒子捕集フィルタにおいては、圧力損失から一義的に微粒子堆積量を推定することは困難である。

また、差圧に基づき微粒子堆積量を決定する方法もモデリング法も微粒子堆積量を直接検知しているのではないという問題もある。

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、微粒子の車上診断に使用し得るセンサを提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、電極を備えた特定の微粒子センサによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示す微粒子センサおよび微粒子測定方法が提供される。

［１］ガス流路に垂直な断面の一部またはガス流路とは異なる第２の流路上で微粒子を捕集する微粒子捕集手段と、前記微粒子捕集手段に備えられた少なくとも２つの電極を備えた微粒子センサ。

［２］前記微粒子捕集手段がハニカム構造体である上記［１］に記載の微粒子センサ。

［３］前記ハニカム構造体が微粒子捕集フィルタである上記［２］に記載の微粒子センサ。

［４］前記微粒子捕集手段がセラミックフォームである上記［１］に記載の微粒子センサ。

［５］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の微粒子センサの前記電極間に直流電流を流し、前記電極間の直流抵抗に基づき微粒子量を決定する微粒子量決定方法。

［６］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の微粒子センサの前記電極間に交流電流を流し、前記電極間のインピーダンスに基づき微粒子量を決定する微粒子量決定方法。

本発明の微粒子センサは圧力損失を増大させることなく微粒子を検知することができる。本発明の微粒子センサはガス流路の断面の一部またはガス流路とは異なる第２の流路に配設される。従って、本発明の微粒子センサを構成する微粒子捕集手段はガス流路の断面全体を塞ぐことがない。このため、微粒子捕集手段として、圧力損失の比較的大きい微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）を使用しても、圧力損失を低く抑えることが可能である。

また、本発明の微粒子センサは、ガス流路の断面全体をカバーする微粒子センサに比べて、小型であるので、低コストで製造することができる。

本発明によれば、少量の微粒子を確実に検出でき、車上で規制をクリアしているか判断できるセンサが提供される。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の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、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は本発明の一実施形態を示す概略側面図である。微粒子センサ２は微粒子捕集手段４と、微粒子捕集手段４の上面および下面の一部に設けられた電極６により構成される。この微粒子センサ２がガス流路８の断面の一部において微粒子を捕集する。ガス流れ１０は図１中、左から右に流れる。

図２は本発明の他の一実施形態を示す概略側面図である。微粒子センサ２は微粒子捕集手段４と、微粒子捕集手段４の上面および下面の一部に設けられた電極６により構成される。この微粒子センサ２がガス流路８とは別の流路１２において微粒子を捕集する。ガス流れ１０は図２中、左から右に流れ、一部が別の流路１２にも流れる。

本発明における微粒子捕集手段としては種々のものを採用することができる。

本発明において、微粒子捕集手段（電極を除く）の材質は特に限定されないが、炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネイト、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナもしくはシリカ又はこれらの組み合わせからなるセラミックス、又は焼結金属を主成分とする材料から構成されているものが好適である。

微粒子捕集手段の形状は、微粒子を捕集できる形状であればいずれでも良い。好ましい形状としてハニカム状、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）状、セラミックフォーム状等が例示できるがこれらに限られない。

ハニカム状の形状のものとしてハニカム構造体を例示することができる。ここで、ハニカム構造体とは、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔（セル）を有する構造体をいう。また、本発明において、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）とは、ハニカム構造体の端面において、各セルの一方の端部を、千鳥状になるように、互い違いに目封止したものをいう。

本発明において、セラミックフォーム体とは、基材が炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネート、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナ、若しくはシリカ、又はこれらの組み合わせからなるセラミックスの坏土に、発泡ポリウレタンフォーム等の造孔材を混錬して焼成し、完成した成形体の気孔率が７５％以上であるものをいう。

本発明の微粒子捕集手段の断面の大きさはガス流路の断面全体を塞ぎさえしなければ良いが、ガス流路の断面の５０％以下であるのが好ましい。微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）を製造する際に使用する、複数のセルからなるセグメントを、本発明の微粒子捕集手段として使用しても良い。さらに、単一のセルを本発明の微粒子捕集手段として使用しても良い。

本発明の微粒子センサは、電極を利用することによって、捕集された微粒子の量を検知することが可能である。具体的には、電極間の交流インピーダンス、直流抵抗、リアクタンス、キャパシタンス等の電気的特性を計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する。すなわち、この微粒子センサにおいては、微粒子センサに設けられた電極間の交流インピーダンス等の電気的特性を計測することによって、微粒子センサに微粒子が堆積したことによる、電極間の静電容量、直流抵抗値等の変化を検知することができる。電極間の静電容量等は、微粒子センサ内の微粒子の絶対量に対応して変化するため、交流インピーダンス等の電気的特性の計測データから微粒子センサの微粒子堆積量を一義的に推定することができる。具体的には、堆積した微粒子の質量と交流インピーダンス等の電気的特性との関係を実測値に基づいて予めグラフ化等しておくことにより、交流インピーダンス等の電気的特性を計測するだけで、その計測時点での微粒子の堆積量を推定することができるようになる。

本発明においては、このように交流インピーダンスの計測値から、微粒子の堆積量を推定することが可能であるが、更に精度良く微粒子の堆積量を決定するため、インピーダンス計測回路内にコイル（インダクタンス）を接続することが好ましい。このようにコイルを接続することにより、静電容量を持つフィルタとコイルを含む回路の交流インピーダンスは、共振条件Ｌω＝１／Ｃω（Ｌ：インダクタンス、Ｃ：静電容量、ω：２πｆ（ｆ：周波数））で急激に０に近づくため、微粒子の堆積量変化に対する交流インピーダンスの変化がシャープになり、より精度良く微粒子堆積量を検知できる。

接続するコイルのインダクタンスの値は、狙いの微粒子堆積量において共振条件を満足するように設定しておけば良い。すなわち、可変インダクタンスを用いるなどして、微粒子堆積量が、所定の値に達したときに、交流インピーダンスが急激に０に近づくようにインダクタンスの値を予め制御しておく。なお、本発明においては、このようなインダクタンスの他、キャパシタンス、直流抵抗などをインピーダンス計測回路内に直列又は並列に接続して、共振条件を調整することも可能である。

本発明の微粒子センサにおいて、交流インピーダンスを計測する際の交流電流の周波数は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚであることが好ましい。１ｋＨｚ未満では、インピーダンスに占める直流抵抗成分の比率が大きくなるため、静電容量の変化による測定インピーダンスの相対変化率が小さくなり、微粒子堆積量の検知精度が低下する。一方、１０ＭＨｚを超えると、微粒子センサからの信号取り出し線等を含む計測系全体に含まれるノイズ的インダクタンスの量が過大になり、計測精度が低下する。

本発明においては、導電性を有するハニカム構造体の直流抵抗を検出することで微粒子（ＰＭ）の堆積量を決定することもできる。そのためには微粒子捕集手段の導電率が室温（２５℃）で１．０×１０^−６Ｓ／ｃｍ以上、２５℃〜８００℃での導電率の変化が、２桁以下であるのが好ましい。このような微粒子捕集手段としてＳｉ結合ＳｉＣを主成分とするハニカム構造体を例示することができる。ここで、本明細書中、主成分とは、成分の６０質量％以上を占めるものをいう。

本発明において、電極の材質も特に限定はされないが、導電性ペーストの焼結体、導電性セラミックス、または金属の内の何れかから構成されているものが好適である。

本発明の微粒子センサにおいて、電極の形成方法は特に限定されないが、銀ペースト等の導電性ペーストを微粒子センサ外周面等の所定位置に塗布し、これを加熱して焼き付ける方法を用いると、形成が容易で、電極が微粒子センサに強固に接合されるので好ましい。

なお、微粒子捕集手段と電極とは、両者の熱膨張係数の差が２０×１０^−６／℃以下となるように各々の材質を選択することが好ましい。例えば、本発明の微粒子センサをエンジン直下に使用するような場合には、使用時に高温環境下に晒されるため、微粒子捕集手段と電極との熱膨張係数の差が大きすぎると、両者の熱膨張差により微粒子センサが破損したり電極が剥離したりする恐れがあるが、両者の熱膨張係数の差が２０×１０^−６／℃以下であれば、そのような不具合が生じる可能性が低くなる。

また、本発明においては、二以上の電極が、平行に配置された平板状の形状に形成されてなるとともに、少なくとも一方の電極をセラミック体の内部に導電体を配設して構成してもよい。このように、導電体をセラミック体で覆うように構成することによって、導電体が直接排気ガスと接触することがなく、導電体の腐食や劣化を有効に防止することが可能となる。さらに、電極の両方を、セラミック体と、その内部に配設された導電体とで構成してもよい。

本発明の微粒子センサは基材に触媒が担持されていても良く、又、担持されていなくても良い。本発明において、触媒とは、三元触媒、酸化触媒、ＮＯ_Ｘ選択還元型触媒（ＳＣＲ）、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）等、いずれでも良い。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
タルク、カオリン、仮焼カオリン、アルミナ、水酸化アルミニウム、シリカの各粉末を、ＳｉＯ_２が４２〜５６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が０〜４５質量％、ＭｇＯが１２〜１６質量％という化学組成の範囲に入るように所定の割合で調合したコージェライト化原料に、造孔剤としてグラファイトを１５〜２５質量％、ＰＥＴ、ＰＭＡ、フェノール樹脂等の合成樹脂を合計５〜１５質量％添加し、更にメチルセルロース類と界面活性剤とを所定量添加し、これに水を加えて混練し坏土とした。次いで、この坏土を真空脱気後、ハニカム構造に押し出し成形し、マイクロ波乾燥及び熱風乾燥法により乾燥した後、最高温度を１４００〜１４３５℃として焼成することにより、多孔質のセラミックス（コージェライト）からなる直方体形状のハニカム構造体を製造した（端面の一辺の長さ３０ｍｍ、長さ１５２ｍｍ）。

このハニカム構造体の外周の対向する２カ所に銀ペーストを塗布して焼き付けることにより、電極を形成し、当該電極間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成した。

この電極付きハニカム構造体からなる微粒子センサ２を図１のようにガス流路８に配設した。このガス流路８に、微粒子を含むディーゼルエンジン排ガスを流し、微粒子センサ２に微粒子を堆積させながら、前記電極間の交流インピーダンスの計測を行ったところ、堆積した微粒子の質量と計測した交流インピーダンスとの関係は、図３のようになり、交流インピーダンスの値より微粒子の堆積量が推定できることを確認した。

図３は図１に示す本発明の微粒子センサ２の場所でのインピーダンス測定結果（表面電極、電極サイズ直径２０ｍｍ、１０ｋＨｚ）を示す図である。図３中、横軸は微粒子堆積量（ｍｇ／Ｌ）、縦軸はインピーダンス変化率（％）を示す。

（実施例２）
粒径５μｍ以下の粒子を１６質量％含む平均粒径２０μｍのＳｉＣ粉末１００質量％に対し、外配でガイロメ粘土５質量％、メチルセルロース３質量％、界面活性剤１質量％、及び水２５質量％を加え、混合後、押出し成形により、断面の一辺の長さ３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、セル密度１６セル／ｃｍ^２、リブ厚４３０μｍのハニカム形状の成形体を成形した。この成形体を酸化雰囲気中にて４００℃で仮焼してバインダー成分を除去した後、Ａｒ雰囲気中にて２２００℃で焼成してハニカム構造の再結晶ＳｉＣ焼結体を得た。

このハニカム構造体の外周の対向する２カ所に銀ペーストを塗布して焼き付けることにより、電極を形成し、当該電極間の直流抵抗を計測する直流抵抗計測回路を構成した。

この電極付きハニカム構造体からなる微粒子センサ２を図１のようにガス流路８に配設した。このガス流路８に、微粒子を含むディーゼルエンジン排ガスを流し、微粒子センサ２に微粒子を堆積させながら、前記電極間の直流抵抗の計測を行ったところ、堆積した微粒子の質量と計測した直流抵抗との関係は、図４のようになり、直流抵抗の値より微粒子の堆積量が推定できることを確認した。

図４は図１に示す本発明の微粒子センサ２の場所での直流抵抗測定結果（表面電極、電極サイズ直径２０ｍｍ）を示す図である。図４中、横軸は微粒子堆積量（ｇ／Ｌ）、縦軸は直流抵抗変化率（％）を示す。

本発明は、内燃機関の排気系等で排出される微粒子の排出量を計測する微粒子センサとして使用することができる。

本発明の一実施形態を示す概略側面図である。本発明の他の一実施形態を示す概略側面図である。図１に示す本発明の微粒子センサの場所でのインピーダンス測定結果を示す図である。図１に示す本発明の微粒子センサの場所での直流抵抗測定結果を示す図である。

符号の説明

２：微粒子センサ、４：微粒子捕集手段、６：電極、８：ガス流路、１０：ガス流れ、１２：別のガス流路

Claims

ガス流路に垂直な断面の一部またはガス流路とは異なる第２の流路上で微粒子を捕集する微粒子捕集手段と、
前記微粒子捕集手段に備えられた少なくとも２つの電極を備えた微粒子センサ。
前記微粒子捕集手段がハニカム構造体である請求項１に記載の微粒子センサ。
前記ハニカム構造体が微粒子捕集フィルタである請求項２に記載の微粒子センサ。
前記微粒子捕集手段がセラミックフォームである請求項１に記載の微粒子センサ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の微粒子センサの前記電極間に直流電流を流し、前記電極間の直流抵抗に基づき微粒子量を決定する微粒子量決定方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の微粒子センサの前記電極間に交流電流を流し、前記電極間のインピーダンスに基づき微粒子量を決定する微粒子量決定方法。