JP2008231930A - ハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微粒子の車上診断に使用し得る方法を提供する。
【解決手段】隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、側面に、一方の端面からの距離を等しくかつ互いに離して３個以上の電極が配設されているハニカム構造体において、前記電極から任意の２個の電極を選択し、選択した前記任意の２個の電極間の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて、前記ハニカム構造体における前記任意の２個の電極間のゾーンの微粒子堆積量を決定するハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法である。
【選択図】図１

Description

本発明はハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法に関し、更に詳しくは、内燃機関排気系の微粒子（ＰＭ）排出量測定および微粒子（ＰＭ）規制に対する車上診断（ＯＢＤ）に利用できるハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法に関する。

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、排気ガス中のパティキュレートが導電性を有する粒子から成り立っていることに着目し、導電性のパティキュレートを付着または吸着した電気絶縁部材の電気抵抗が減少することを利用したパティキュレート検出素子およびパティキュレート検出フィルタが開示されている。

また、特許文献２には、光源から放射される光を排気ガス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。

特開昭５９−０６００１８号公報 特開平０４−２０３４１３号公報

特許文献１に開示の発明のような小型のセンサに付着した微粒子による抵抗の変化を検出するタイプでは、微粒子はガス流れに乗って移動するため、ガスの回り込み作用により微粒子が付着しにくく、さらに微粒子捕集フィルタ後流では粒子が微量であるため検出精度が低いという問題がある。

また、特許文献２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。

これらの技術に対して、実質的に目封止のないハニカム構造体に電極を配設し、当該ハニカム構造体の電気的特性の変化を測定し、測定した電気的特性の変化量から当該ハニカム構造体に堆積した微粒子量を算定する方法が有用である。実質的に目封止のないハニカム構造体を採用することで、排ガス管におけるガス流れ方向に垂直な面全体をカバーすることが可能である。また、この場合、実質的に目封止がないことで、圧損が小さく、微粒子捕集フィルタより容易かつ安価に作製が可能である。

しかしながら、実質的に目封止のないハニカム構造体をＯＢＤセンサとして使用することを考慮すると、ＯＢＤセンサは、ＤＰＦの下流に配設されるため、そもそも微粒子が非常にわずかしか到達しない。また、実質的に目封止のないハニカム構造体をＯＢＤセンサとして採用すると、ハニカム構造体は微粒子を捕集する効果が少ない。微粒子は、主にハニカム構造体の端面に集中して堆積するので、ハニカム構造体内部での付着はわずかである。したがって、実質的に目封止のないハニカム構造体を採用すると、非常に高い検出感度が要求される。さらに、ハニカム構造体が円筒形である場合、ハニカム構造体の側面に電極を配設すると、図６に示すとおり、電極２の、ハニカム構造体の軸に直行する方向中央部付近では電極間距離ｙが電極の端部付近の電極間距離ｘに比べて長くなり、感度が悪化するという問題がある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、本発明の方法により上記課題が解決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、以下に示すハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法が提供される。

［１］ 隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、側面に、一方の端面からの距離を等しくかつ互いに離して３個以上の電極が配設されているハニカム構造体において、前記電極から任意の２個の電極を選択し、選択した前記任意の２個の電極間の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて、前記ハニカム構造体における前記任意の２個の電極間のゾーンの微粒子堆積量を決定するハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

［２］ 前記電極がハニカム構造体の側面において等間隔に配設されている上記［１］に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

［３］ 前記電極が２ｎ個（ｎは２以上の整数）であり、陰極と陽極とが交互に配設されている上記［１］または［２］に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

［４］ 前記電極が２（２ｍ＋１）個（ｍは１以上の整数）である上記［３］に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

［５］ 対向する（２ｍ＋１）個の電極対間の電気的特性を測定し、得られた（２ｍ＋１）個の電気的特性値を合わせて、前記ハニカム構造体の中心付近の微粒子堆積量を決定する上記［４］に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

［６］ 前記電極が前記ハニカム構造体の端面に沿う延長部を備えている上記［１］〜［５］のいずれかに記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

本発明のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法は、内燃機関の排気系のさまざまな部位で使用することができる。排ガス管で直接的に微粒子の量を測定することで、本来の意味での車上診断が可能である。微粒子捕集フィルタと共に使用する場合には、微粒子捕集フィルタの下流に配置することができ、この場合、微粒子捕集フィルタまたはエンジンの故障を診断することができる。また、微粒子捕集フィルタの上流に配置する場合には、エンジンの故障を診断することができる。

本発明においては、ハニカムを使用することで、排ガス管におけるガス流れ方向に垂直な面全体をカバーすることが可能である。また、実質的に目封止がないことで、圧損が小さく、微粒子捕集フィルタより容易かつ安価に作製が可能である。

本発明に使用するハニカム構造体に、触媒を担持させることもできる。この場合、例えば、ＮＯ_Ｘ触媒担体で微粒子量を測定することができるようになる。

本発明のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法によれば、電気的特性の測定感度が向上するので、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。

本発明によれば、ハニカム構造体のどのゾーンに微粒子が堆積しているのか検出でき、微粒子捕集フィルタの直後に微粒子堆積量測定用のハニカム構造体を配設した場合には、微粒子捕集フィルタの破損部位を特定することができる。

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に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。本実施形態においては、ハニカム構造体１の側面に２ｎ＝２（２ｍ＋１）＝６個（ｎ＝３、ｍ＝１）の電極２、３が配設されている。図１に示すように陽極と陰極とを交互に等間隔に配設することにより、単位電極面積あたりの電極間距離が近くなり、当該電極を使用して、ハニカム構造体の電気的特性を測定する際の感度が向上する。

図２は、図１の電極付ハニカム構造体の他の模式的平面図である。図３は、図１の電極付ハニカム構造体のさらに別の模式的平面図である。図２は、１つの陽極２に対して、３つの陰極３を切り替えて接続する様子を示している。このように構成すると、図３に示すように、ａ、ｂ、ｇの３つのゾーンの電気的特性を測定することが可能となる。図３中、ｇゾーンの電気的特性は、ある陽極と、その陽極と円筒形のハニカム構造体において対角に位置する陰極とを組み合わせて測定することになり、電極間距離が遠くなり感度が低下する。そこで、このような場合には、対角上に位置する他の電極の組合せの測定結果を合わせて判定することにより感度を向上させることができる。ここで、測定結果を合わせて判定するとは、それぞれの測定結果の和を取ることを例示することができる。

円筒状のハニカム構造体の側面に２ｎ個の電極を配設する場合には、陽極と陰極とを完全に交互に配設することができる。また、２（２ｍ＋１）個の電極を配設する場合には、陽極と陰極とを交互に配設していけば、対角には逆の極が位置することになり都合が良い。

このようにして、ハニカム構造体１のａ〜ｇの各ゾーンの電気的特性を測定し、各ゾーンの堆積微粒子量を測定することにより、いずれのゾーンで堆積微粒子量が変化したかが分かるようになる。この電極付ハニカム構造体からなる微粒子センサを、内燃機関の排ガス流路中、ＤＰＦの直ぐ下流に配設した場合には、ａ〜ｇのいずれかの部位の堆積微粒子量が他の部位に比べて大幅に増加した場合には、ＤＰＦの対応した部位が破損したことを推定することが可能となる。

図４は、本発明の他の実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。図４において、電極２および３は、ハニカム構造体１の端面に沿った延長部４を備えている。図４中、電極２および３は、ハニカム構造体１の軸に垂直な方向中央部付近で、電極間距離が最も離れている。従って、この付近での電気的特性感度は悪くなっている。しかしながら、電極２および３は、ハニカム構造体１の端面に沿って延長部４を備えているので、電極２および３の延長部４間の距離は十分に近くなっており、十分な感度を保持することができる。なお、この延長部４は、排ガス流路中、上流に位置させるのが好ましい。微粒子は、ハニカム構造体の上流側端面付近に多く堆積する傾向があるからである。

図５は、本発明のさらに別の実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。図５に示すように、電極を２ｎまたは２（２ｍ＋１）個備えた電極付ハニカム構造体に延長部４を具備させても良い。

［微粒子量測定］
本発明においては、電極付ハニカム構造体の電極を利用することによって、捕集された微粒子の量を決定する。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測定することによって、捕集された微粒子の量を決定する。すなわち、このハニカム構造体においては、ハニカム構造体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測定することによって、ハニカム構造体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測定することができる。電極間の静電容量等は、ハニカム構造体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測定データからハニカム構造体の微粒子堆積量を一義的に決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測定して、その測定時点での微粒子の堆積量を決定する。

本発明においては、このように交流インピーダンスの測定値から、微粒子の堆積量を決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、インピーダンス測定回路内にコイル（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決定することができる。

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測定回路内に直列または並列に接続して、共振条件を調整することも可能である。

本発明のハニカム構造体において、交流インピーダンスを測定する際の交流電流の周波数は、１００Ｈｚ〜１０ＭＨｚであることが好ましい。１００Ｈｚ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、微粒子堆積量の測定精度が低下する。一方、１０ＭＨｚを超えると、ハニカム構造体からの信号取り出し線等を含む測定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、測定精度が低下する。また、低周波数の方が微小な量に対する感度が良い。しかしながら、周波数が低すぎるとノイズが大きく測定精度が低下する。したがって、交流インピーダンスを測定する際の交流電流の周波数は、好ましくは、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。

［ハニカム構造体］
本発明において、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。本発明に使用するハニカム構造体は円柱状が好ましく、この場合、前記軸方向と垂直な円形状の端面と最外の隔壁により構成される側面とを備える。

本発明において、微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）とは、多孔質の隔壁によって気体の流路となる複数のセルが区画形成された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。

本発明においては、実質的に目封止がされていないハニカム構造体を使用するのが好ましい。ここで、実質的に目封止がされていないとは、目封止が全くされていないものに限らず、１０％程度目封止されたものも含む。このときの微粒子捕集効率は５０％以下程度であり、フィルタとしては使用し難い。また、これは、気体が、隔壁内にある細孔を通る際に微粒子を捕集するものではないという点でＤＰＦとは異なる。

本発明において、ハニカム構造体（電極を除く）の基材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またはこれらの組み合わせからなるセラミックス、また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。

本発明に使用するハニカム構造体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。

［電極］
本発明に使用するハニカム構造体において、電極の材質は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ハニカム構造体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、電極がハニカム構造体に強固に接合されるので好ましい。

なお、ハニカム構造体と電極とは、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、本発明のハニカム構造体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、ハニカム構造体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ハニカム構造体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。

電極は平板状であっても良いし、円筒状の形状に形成されてなる電極であってもよい。平板状の電極の場合には、テープ成形、押出し成形、プレス成形、射出成形、鋳込み成形等の方法で、電極を構成するセラミック体を成形して形成することが好ましい。

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測定するために使用することができる。

本発明の一実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。 本発明の一実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す他の模式的平面図である。 本発明の一実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示すさらに別の模式的平面図である。 本発明の第二の実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。 本発明の第三の実施形態に使用する電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。 従来技術の電極付ハニカム構造体を示す模式的平面図である。

符号の説明

１：ハニカム構造体、２：電極（陽極）、３：電極（陰極）、４：延長部

Claims (6)

1. 隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、側面に、一方の端面からの距離を等しくかつ互いに離して３個以上の電極が配設されているハニカム構造体において、
   前記電極から任意の２個の電極を選択し、
   選択した前記任意の２個の電極間の電気的特性を測定し、
   測定した電気的特性に基づいて、前記ハニカム構造体における前記任意の２個の電極間のゾーンの微粒子堆積量を決定するハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。
2. 前記電極がハニカム構造体の側面において等間隔に配設されている請求項１に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。
3. 前記電極が２ｎ個（ｎは２以上の整数）であり、陰極と陽極とが交互に配設されている請求項１または２に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。
4. 前記電極が２（２ｍ＋１）個（ｍは１以上の整数）である請求項３に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。
5. 対向する（２ｍ＋１）個の電極対間の電気的特性を測定し、得られた（２ｍ＋１）個の電気的特性値を合わせて、前記ハニカム構造体の中心付近の微粒子堆積量を決定する請求項４に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。
6. 前記電極が前記ハニカム構造体の端面に沿う延長部を備えている請求項１〜５のいずれか一項に記載のハニカム構造体の微粒子堆積量測定方法。

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