JP2011069692A - 堆積量検出装置、および検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出誤差が生じる可能性を低減できる堆積量検出装置、および検出システムを提供する。
【解決手段】堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭが堆積される第１主面３１ａ、および第１主面３１ａとは反対側に設けられた第２主面３１ｂを有する絶縁体３１と、発熱体３２と、第１主面３１ａとの間の温度を検出する第１温度センサ３３と、第２主面３１ｂとの間の温度を検出する第２温度センサ３４と、複数段階設けられた温度、および温度に対応付けられた堆積量が予め記録された対応関係記録部４１と、第１温度センサ３３が検出した温度から第２温度センサ３４が検出した温度の差分を取ることにより、当該差分が示す温度に基づいて、対応関係記録部４１から堆積量を読み出し、読み出した堆積量を、第１主面３１ａに粒子状物質ＰＭが堆積された堆積量として算出する堆積量算出部４２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出装置、および検出システムに関する。

排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の堆積量を検出する堆積量検出装置としては、例えば、静電容量の変化を利用して堆積量を検出する、いわゆる静電容量型の堆積量検出装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

特許文献１に記載の堆積量検出装置は、ゼオライトに吸着した粒子状物質の吸着量（堆積量）を、静電容量の変化を利用して検出している。具体的には、このゼオライトを２つの電極で担持し、ゼオライトに粒子状物質が吸着すると、この吸着量に応じて、電極間の容量が変化する。そのため、特許文献１に記載の堆積量検出装置は、電極間の容量の変化量に基づいて、吸着量を検出することができる。

特開２００１−３３４１２号公報 特表２０００−５１７４２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の堆積量検出装置では、電極間にゼオライトが担持されているため、粒子状物質に含まれている水や油等もゼオライトに吸着されてしまう。このため、特許文献１に記載の堆積量検出装置では、粒子状物質に含まれている水や油等により、電極間の容量が不測に変化し、検出誤差が生じる可能性があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出誤差が生じる可能性を低減できる堆積量検出装置、および検出システムに関する。

上記目的を達成するために本発明における堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質が堆積される第１主面、および前記第１主面とは反対側に設けられた第２主面を有し、前記排気ガスが移動する排気通路に設けられた絶縁体と、前記絶縁体に設けられており、かつ発熱する発熱体と、前記絶縁体に設けられており、かつ前記発熱体が発熱することにより得られる前記第１主面との間の温度を検出する第１温度センサと、前記絶縁体に設けられており、かつ前記発熱体が発熱することにより得られる前記第２主面との間の温度を検出する第２温度センサと、複数段階設けられた温度、および前記温度に対応付けられた堆積量が予め記録された対応関係記録部と、前記第１温度センサが検出した温度から前記第２温度センサが検出した温度の差分を取ることにより、当該差分が示す温度に基づいて、前記対応関係記録部から堆積量を読み出し、読み出した堆積量を、前記第１主面に前記粒子状物質が堆積された堆積量として算出する堆積量算出部と、を備える。

本発明の堆積量検出装置、および検出システムは、検出誤差が生じる可能性を低減できるという効果を奏する。

図１は、本実施形態に係る検出システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサの概略構成を示す斜視図である。 図３は、図２中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。 図４は、本実施形態に係る対応関係記録部に記録されたデータの一例を示す図である。 図５は、変更例１に係る堆積量検知センサの概略構成を示す断面図である。 図６は、変更例２に係る堆積量検知センサの概略構成の一例を示す断面図である。 図７は、変更例２に係る堆積量検知センサの概略構成の他の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る検出システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る検出システム１は、例えば、図示しない車両（自動車等）等の石油系燃料を使用する燃焼装置に設けられるものであって、フィルタ装置２、堆積量検知センサ３、堆積量算出装置４、流量センサ５、流量算出装置６、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７、および制御装置８を備えている。ここで、堆積量検知センサ３および堆積量算出装置４が、本発明に係る堆積量検出装置の一実施形態となる。

フィルタ装置２は、排気通路Ｕに設けられており、排気通路Ｕを移動する排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための装置である。フィルタ装置２は、例えば、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）から構成される。すなわち、排気ガスは、ディーゼルエンジン、ピストンエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関が燃焼することによって発生するとともに、図１の矢印で示されているように、内燃機関（上流）から消音器（下流）に向かって排気通路Ｕを移動する。なお、消音器を通過した排気ガスは、外部へ放出される。ここで、排気ガス中に含まれる粒子状物質としては、例えば、単純な固形の炭素の微粒子が房状に連なったもの、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）と呼ばれる高分子炭化水素、あるいは硫酸塩等が挙げられる。この粒子状物質は、人の気道や肺に沈着するので、人体へ悪影響を及ぼすとともに、大気汚染の要因ともなり得る。そのため、フィルタ装置２において粒子状物質が捕集される。なお、粒子状物質には、水や油等も含まれている。

堆積量検知センサ３は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも下流側（消音器側）の排気通路Ｕに設けられている。

図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサ３の概略構成を示す斜視図である。図３は、図２中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。

図２に示すように、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であって、排気通路Ｕに設けられた台座Ｂの上に設けられている。なお、台座Ｂを設けることなく、直接、堆積量検知センサ３を排気通路Ｕに設けるようにしてもよい。また、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であるが、これに限らず、丸棒状、板状等であってもよく、その形状については特に限定されない。

ここで、堆積量検知センサ３は、図３に示すように、絶縁体３１、発熱体３２、第１温度センサ３３、および第２温度センサ３４を有している。

絶縁体３１は、第１主面３１ａ、および第１主面３１ａとは反対側に設けられた第２主面３１ｂを有している。ここで、本実施形態においては、第１主面３１ａおよび第２主面３１ｂは、排気通路Ｕの長手方向（図２の矢印Ｎの方向）に対して略垂直な面であり、第１主面３１ａは、第２主面３１ｂよりも排気通路Ｕの上流側に位置している。このため、第１主面３１ａは、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質ＰＭが堆積される面となり、第２主面３１ｂは、粒子状物質ＰＭが堆積され難い面となる。すなわち、第１主面３１ａは、排気ガスの風の影響を直接受ける面となり、第２主面３１ｂは、排気ガスの風の影響を受け難い面となるからである。第２主面３１ｂが排気ガスの風の影響を受け難い面となるのは、絶縁体３１自体が排気ガスに対する風除けの役割を果たしているからである。絶縁体３１としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、あるいはガラスセラミック焼結体等のセラミックが挙げられる。

発熱体３２は、絶縁体３１に埋設されており、発熱する役割を担う部材である。本実施形態においては、図３に示すように、絶縁体３１を断面視した場合において、発熱体３２は、絶縁体３１の略中央に埋設されている。

第１温度センサ３３は、絶縁体３１に埋設されており、発熱体３２が発熱することにより得られる第１主面３１ａとの間の温度を検出する役割を担う部材である。本実施形態においては、第１温度センサ３３は、第１主面３１ａの近傍の絶縁体３１に埋設されている。ここで、第１温度センサ３３は、例えば、白金、タングステン等のような温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体から構成される。

第２温度センサ３４は、絶縁体３１に埋設されており、発熱体３２が発熱することにより得られる第２主面３１ｂとの間の温度を検出する役割を担う部材である。本実施形態においては、第２温度センサ３４は、第２主面３１ｂの近傍の絶縁体３１に埋設されている。ここで、第２温度センサ３４は、第１温度センサ３３と同様、例えば、白金、タングステン等のような温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体から構成される。

すなわち、第１主面３１ａは、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質ＰＭが堆積されるため、発熱体３１からの熱は、第１主面３１ａから外部へ放熱され難くなる。つまり、第１主面３１ａおよび第１主面３１ａ近傍の絶縁体３１には熱がこもり易くなる。一方、第２主面３１ｂは、粒子状物質ＰＭが堆積され難いため、発熱体３１からの熱は、第２主面３１ｂから外部へ放熱される。つまり、第２主面３１ｂおよび第２主面３１ｂ近傍の絶縁体３１には熱がこもり難くなる。このように、第１主面３１ａに粒子状物質ＰＭが堆積された場合、第１温度センサ３３が検出する温度（第１主面３１ａと第１温度センサ３３との間の温度）は、第２温度センサ３４が検出する温度（第２主面３１ｂと第２温度センサ３４との間の温度）よりも高くなる。

なお、本実施形態のように、絶縁体３１を断面視した場合において、発熱体３２は、第１温度センサ３３と第２温度センサ３４との間に位置しており、かつ第１温度センサ３３からの距離Ｌ_１と第２温度センサ３４からの距離Ｌ_２とが略同じ距離となるように、絶縁体３１に埋設されていることが好ましい。このようにすると、第１主面３１ａに粒子状物質ＰＭが堆積されていない場合には、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度とは略同じ温度となる。このため、発熱体３２からの距離に起因する温度差を考慮する必要がない。そのため、後述する対応関係記録部４１に記録すべきデータを容易に決定することができる。

但し、第１主面３１ａは、排気ガスの風の影響を直接的に受けるため、排気ガスの温度が低い場合には、第１主面３１ａは冷やされることになる。また、第２主面３１ｂは、排気ガスの風の影響を受け難いため、排気ガスの温度が低い場合であっても、第１主面３１ａと比べて、排気ガスによって冷やされることはない。そのため、実際には、このような事情も考慮して、発熱体３２と第１温度センサ３３との間の距離Ｌ_１、および発熱体３２と第２温度センサ３４との間の距離Ｌ_２を決定することが好ましい。

堆積量算出装置４は、対応関係記録部４１、および堆積量算出部４２を有している。

対応関係記録部４１は、複数段階設けられた温度、および温度に対応付けられた堆積量が予め記録される。図４は、本実施形態に係る対応関係記録部４１に記録されたデータの一例を示す図である。すなわち、本実施形態に係る対応関係記録部４１は、温度および堆積量を示すデータをテーブル４１ａとして記録する。なお、テーブル４１ａに記録されたデータは、堆積量検知センサ３を排気通路Ｕに設ける前の当該堆積量検知センサ３の実機による評価試験の実測値あるいはシミュレーションの結果に基づいて予め設定されている。

堆積量算出部４２は、まず、第１温度センサ３３が検出した温度を取得するとともに、第２温度センサ３４が検出した温度を取得する。そして、堆積量算出部４２は、第１温度センサ３３が検出した温度から第２温度センサ３４が検出した温度の差分を取る。そして、堆積量算出部４２は、当該差分が示す温度に基づいて、対応関係記録部４１から堆積量を読み出す。例えば、差分が示す温度が「５０」℃である場合、堆積量算出部４２は、図４に示すように、対応関係記録部４１のテーブル４１ａから堆積量「４０」を読み出す。堆積量算出部４２は、読み出した堆積量を、第１主面３１ａに粒子状物質が堆積された堆積量として算出する。堆積量算出部４２は、算出した堆積量を、制御装置８へ出力する。

このように、本実施形態に係る堆積量検出装置によれば、堆積量算出部４２は、第１温度センサ３３が検出した温度から第２温度センサ３４が検出した温度の差分を取ることにより、当該差分が示す温度に基づいて、第１主面３１ａに粒子状物質ＰＭが堆積された堆積量を算出する。このため、本実施形態に係る堆積量検出装置は、上記従来の静電容量型の堆積量検出装置のように、粒子状物質ＰＭに含まれている水や油等がゼオライトに吸着されることにより、電極間の容量が不測に変化し、検出誤差が生じることはない。そのため、本実施形態に係る堆積量検出装置は、上記従来の静電容量型の堆積量検出装置と比較して、検出誤差が生じる可能性を低減できる。

流量センサ５は、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも上流側（内燃機関側）の排気通路Ｕに設けられている。流量センサ５としては、例えば、熱式流量方式を用いた流量センサが挙げられる。なお、排気ガスの流量を検出できれば、流量センサ５の方式については、特に限定されない。

流量算出装置６は、流量センサ５により検出された情報に基づいて、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を算出する。流量算出装置６は、算出した排気ガスの流量を、制御装置８へ出力する。

なお、流量センサ５および流量算出装置６が、本発明に係る流量検出装置の一実施形態となる。

ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御するコントローラである。例えば、ＥＣＵ７は、後述する制御装置８からの指示によって、内燃機関の回転数を低下あるいは上昇させ、または内燃機関の点火時期等を制御する。すなわち、ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御することにより、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数を制御することができる。

制御装置８は、流量算出装置６により算出された排気ガスの流量と、堆積量算出装置４により算出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した排気ガス中に、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する。制御装置８は、算出した捕集不可量に基づいて、ＥＣＵ７に対して指示する。例えば、制御装置８は、算出した捕集不可量が閾値以上であれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数が減少するように、ＥＣＵ７に対して指示する。なお、制御装置８は、ＥＣＵ７に対して指示することなく、算出した捕集不可量を、単にディスプレイに表示するようにしてもよい。

なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。

[変更例１]
図５は、変更例１に係る堆積量検知センサ１０の概略構成を示す断面図である。なお、図５は、図３と同じ箇所を表す断面図である。また、図５において、図３と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。

図５に示すように、変更例１に係る堆積量検知センサ１０は、第１発熱体３２１、および第２発熱体３２２を備えている。

第１発熱体３２１は、第１温度センサ３３よりも第１主面３１ａ側の絶縁体３１に埋設されている。また、第２発熱体３２２は、第２温度センサ３４よりも第２主面３１ｂ側の絶縁体３１に埋設されている。ここで、変更例２に係る第１発熱体３２１および第２発熱体３２２は、図示しない発熱体制御部により、一定時間毎に発熱するように制御される。

すなわち、第１発熱体３２１からの熱によって、第１主面３１ａに堆積された粒子状物質ＰＭが燃焼される。一方、第２発熱体３２２からの熱は、第２主面３１ｂから外部へ放熱される。このように、第１主面３１ａに粒子状物質ＰＭが堆積された場合、第１温度センサ３３が検出する温度は、粒子状物質ＰＭが燃焼する燃焼熱によって、第２温度センサ３４が検出する温度よりも高くなる。そのため、変更例１に係る堆積量検出装置においても、第１温度センサ３３が検出した温度から第２温度センサ３４が検出した温度の差分を取ることにより、当該差分が示す温度に基づいて、第１主面３１ａに粒子状物質が堆積された堆積量を算出することができる。

[変更例２]
ところで、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分が大きいことが好ましい。すなわち、第１主面３１ａには粒子状物質ＰＭがより堆積されるように、第２主面３１ｂには粒子状物質ＰＭがより堆積され難くなるようにすることが好ましい。そのため、変更例２では、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分が大きくなる方法について説明する。

図６は、変更例２に係る堆積量検知センサ１１の概略構成を示す断面図である。なお、図６は、図３と同じ箇所を表す断面図である。また、図６において、図３と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、絶縁体３１の第１主面３１ａには、複数の凹部３１１ａが設けられている。第１主面３１ａに複数の凹部３１１ａが設けられているので、当該凹部３１１ａに粒子状物質ＰＭが堆積され易くなる。複数の凹部３１１ａに粒子状物質ＰＭが堆積され易いので、変更例２に係る堆積量検知センサ１１は、上述の実施形態に係る堆積量検知センサ３と比較して、第１主面３１ａに堆積される粒子状物質ＰＭの堆積量は多くなる。このため、変更例２に係る堆積量検知センサ１１は、堆積量検知センサ３と比較して、第１温度センサ３３が検出する温度が高くなる。そのため、変更例２に係る堆積量検知センサ１１は、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分が大きくなる。この結果、変更例２に係る堆積量検出装置は、上述の実施形態に係る堆積量検出装置と比較して、検出感度を向上することができる。

なお、図６に示すように、第２主面３１ｂには、第１主面３１ａに設けられた複数の凹部３１１ａと対向する位置に、第１主面３１ａに設けられた複数の凹部３１１ａと略同じ大きさの複数の凹部３１１ｂが設けられていることが好ましい。このようにすると、絶縁体３１の形状に起因する温度差を考慮する必要がない。そのため、対応関係記録部４１に記録すべきデータを容易に決定することができる。

また、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分を大きくするために、上記の構成に代えてまたは加えて、以下のような構成を採用してもよい。

すなわち、第１主面３１ａの表面粗さを、第２主面３１ｂの表面粗さよりも大きくしてもよいし、第１主面３１ａに、ポーラス層（例えば、気孔の径が０．１〜１０μｍ）を設けてもよい。このようにしても、第１主面３１ａに堆積される粒子状物質ＰＭの堆積量は多くなる。この結果、上述の実施形態と比較して、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分は大きくなる。

また、第２主面３１ｂを研磨することにより、第２主面３１ｂの表面粗さをより小さくしてもよいし、絶縁体３１を断面視した場合において、第２主面３１ｂの中央部が、第１主面３１ａの方向に窪んでいるようにしてもよい。このようにすると、第２主面３１ｂには粒子状物質ＰＭがより堆積され難くなる。この結果、上述の実施形態と比較して、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分は大きくなる。

さらに、図７に示すように、第２主面３１ｂには、当該第２主面３１ｂの端部から排気通路Ｕの下流側に向かって突出した突起部Ｔが設けられていてもよい。このようにすると、突起部Ｔによって排気ガスの風が遮られるので、第２主面３１ｂには粒子状物質ＰＭがより堆積され難くなる。この結果、上述の実施形態と比較して、第１温度センサ３３が検出する温度と第２温度センサ３４が検出する温度との差分は大きくなる。

[変更例３]
上述の実施形態では、第１主面３１ａおよび第２主面３１ｂは、排気通路Ｕの長手方向に対して略垂直な面である例について説明したが、これに限定されない。すなわち、第１主面３１ａおよび第２主面３１ｂは、排気通路Ｕの長手方向に対して略平行な面であってもよい。なおこの場合、第１主面３１ａおよび第２主面３１ｂ共に同じように粒子状物質ＰＭが堆積されてしまうので、変更例３に係る堆積量検知センサは、変更例２に係る構成を採用する必要がある。

１ 検出システム
２ フィルタ装置
３，１１ 堆積量検知センサ
３１ 絶縁体
３１ａ 第１主面
３１１ａ 凹部
３１ｂ 第２主面
３１１ｂ 凹部
３２ 発熱体
３２１ 第１発熱体
３２２ 第２発熱体
３３ 第１温度センサ
３４ 第２温度センサ
４ 堆積量算出装置
４１ 対応関係記録部
４２ 堆積量算出部
５ 流量センサ
６ 流量算出装置
８ 制御装置
Ｔ 突起部

Claims (9)

1. 内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質が堆積される第１主面、および前記第１主面とは反対側に設けられた第２主面を有し、前記排気ガスが移動する排気通路に設けられた絶縁体と、
   前記絶縁体に設けられており、かつ発熱する発熱体と、
   前記絶縁体に設けられており、かつ前記発熱体が発熱することにより得られる前記第１主面との間の温度を検出する第１温度センサと、
   前記絶縁体に設けられており、かつ前記発熱体が発熱することにより得られる前記第２主面との間の温度を検出する第２温度センサと、
   複数段階設けられた温度、および前記温度に対応付けられた堆積量が予め記録された対応関係記録部と、
   前記第１温度センサが検出した温度から前記第２温度センサが検出した温度の差分を取ることにより、当該差分が示す温度に基づいて、前記対応関係記録部から堆積量を読み出し、読み出した堆積量を、前記第１主面に前記粒子状物質が堆積された堆積量として算出する堆積量算出部と、を備えた堆積量検出装置。
2. 前記第１主面および前記第２主面は、前記排気通路の長手方向に対して略垂直な面であり、
   前記第１主面は、前記第２主面よりも前記排気通路の上流側に位置している、請求項１に記載の堆積量検出装置。
3. 前記絶縁体を断面視した場合において、前記発熱体は、前記第１温度センサと前記第２温度センサとの間に位置しており、かつ前記第１温度センサからの距離と前記第２温度センサからの距離とが略同じ距離となるように、前記絶縁体に埋設されている、請求項１または２に記載の堆積量検出装置。
4. 前記発熱体は、第１発熱体と、第２発熱体とを含み、
   前記第１発熱体は、前記第１温度センサよりも前記第１主面側の前記絶縁体に埋設されており、
   前記第２発熱体は、前記第２温度センサよりも前記第２主面側の前記絶縁体に埋設されている、請求項１または２に記載の堆積量検出装置。
5. 前記第１主面には、複数の凹部が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
6. 前記第２主面には、前記第１主面に設けられた複数の凹部と対向する位置に、前記第１主面に設けられた複数の凹部と略同じ大きさの複数の凹部が設けられている、請求項５に記載の堆積量検出装置。
7. 前記第２主面には、当該第２主面の端部から前記排気通路の下流側に向かって突出した突起部が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
8. 前記排気通路に設けられており、かつ前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置と、
   前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質の堆積量を検出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の堆積量検出装置と、を備えた検出システム。
9. 前記排気通路を移動する排気ガスの流量を検出する流量検出装置と、
   前記流量検出装置により検出された排気ガスの流量と、前記堆積量検出装置により検出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した前記排気ガス中に、前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する制御装置と、をさらに備えた請求項８に記載の検出システム。

Images