JP2011080942A - パティキュレート検出センサ - Google Patents

Abstract

【目的】検出部以外の部位へのＰＭの堆積を抑制して信頼性の高いパティキュレート検出センサを提供する。
【解決手段】少なくとも被測定ガスに晒され、電気絶縁性耐熱基板１３の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極１１、１２を形成した検出部１００と、検出部１００を所定の温度に加熱する発熱体１４０とからなるパティキュレート検出素子１０を具備し、検出部１００に堆積した導電性微粒子ＰＭの量に応じて変化する電気抵抗を測定して被測定ガス中のＰＭ濃度を検出するパティキュレート検出センサ１において、パティキュレート検出素子１０の検出部以外の被測定ガス３０１に晒される部位における被測定ガスの温度Ｔ_２を検出部１００における被測定ガス３００の温度Ｔ_１より高くして熱的な壁を形成する熱壁形成手段として第２の発熱体１４１及び、隔壁３２０を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中に含まれる導電性微粒子の濃度の検知に適したパティキュレート検出センサに関する。

近年、コモンレール式燃料噴射システム、過給器システム、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ、選択触媒還元（ＳＣＲ）システム、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を組み合わせて、ディーゼル機関やガソリンリーンバーン機関等の燃焼排気中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ、カーボンなどの粒子状物質（ＰＭ）、未燃炭化水素ＨＣ等の環境負荷物質の低減が図られている。
このようなシステムに用いられるＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナやヒータ等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている。
内燃機関の燃焼効率をさらに向上すべく、このようなＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの劣化、破損等を検出するＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）や、内燃機関のフィードバック制御等において、燃焼排気中に含まれるＰＭの濃度を高精度で連続的に検出できる検出手段が必要とされている。

燃焼排気中に含まれるＰＭの濃度を検出する手段として、特許文献１には、耐熱性及び電気絶縁性を有する基板の表面に一対の電極を形成し、該電極間を検出部とし、前記基板の裏面及び／又は内部に発熱体を形成し、該基板上の検出部を形成する前記電極、検出部及び端子部を除く導電部を気密で電気絶縁物質よりなる保護層で被覆し、該検出部と保護層との境界付近の発熱体の発熱密度を該検出部の発熱密度より高くし、該検出部の温度を４００℃以上で且つ６００℃以下に加熱することを特徴とするスモーク濃度センサが開示されている。このような、スモーク濃度センサでは、検出部、及び、発熱密度の高い検出部と保護層との境界付近へのスモークの堆積は抑制できると期待される。

ところが、発熱密度の高い検出部と保護層との境界付近から離れた部分は、発熱体によって加熱されておらず、表面温度が低くなるので、発熱密度が高く表面温度の高い境界付近との温度勾配が大きくなり、その周囲に漂う被測定ガス中に含まれる微粒子は、その温度勾配によって温度の低い保護層側に流され、却って堆積し易くなることが判明した。
このため、長期に渡って使用すると、発熱体によって加熱できない非可熱領域に加熱除去できないスモークが堆積し続ける虞がある。堆積したスモークが外部からの振動によって剥がれ落ちて検出部を覆ったり、センサ保護のために設けられているカバー体内に残留し、カバー体に設けた被測定ガスを導入する導入孔を塞いだりすることによってセンサの検出精度が低下する虞もある。

そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、簡易な構成により被測定ガス中に含まれる導電性微粒子の濃度を検出するパティキュレート検出センサにおいて、パティキュレート検出素子の検出部以外の部位への導電性微粒子の堆積を抑制して、パティキュレート検出センサの信頼性の向上を図ることを目的とする。

第１の発明では、少なくとも被測定ガスに晒され、電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を形成した検出部と、該検出部を所定の温度に加熱する発熱体とからなるパティキュレート検出素子を具備し、上記検出部に堆積した導電性微粒子の量に応じて変化する電気抵抗を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するパティキュレート検出センサにおいて、上記パティキュレート検出素子の検出部以外の被測定ガスに晒される部位における被測定ガスの温度を上記検出部における被測定ガスの温度より高くして熱的な壁を形成する熱壁形成手段を具備する（請求項１）。

被測定ガス中に含まれるＰＭは、温度の高い位置から低い位置に移動しやすく、第１の発明によれば、上記熱壁形成手段によって形成された被測定ガスの温度の高い部分が熱的な壁となって、被測定ガス中に含まれるＰＭが上記検出部以外の部位に近づくのを阻み、上記検出部以外へのＰＭの堆積が抑制される。したがって、信頼性の高いパティキュレート検出センサが実現できる。

具体的には、第２の発明では、上記熱壁形成手段は、上記検出部を加熱する上記発熱体に延設して、又は、上記発熱体とは別に設けて、上記発熱体よりも単位面積当たりの発熱量が大きく、上記検出部以外の被測定ガスに晒される部位を加熱する第２の発熱体とする（請求項２）。

第２の発明によれば、上記第２の発熱体によって、上記検出部以外の被測定ガスに晒される部分が、上記検出部よりも高い温度に加熱され、その周囲に存在する被測定ガスの温度が上記検出部の周囲に存在する被測定ガスの温度よりも高くなり、これが熱的な壁となって、被測定ガス中に含まれるＰＭを上記パティキュレート検出素子の検出部以外の表面に寄せ付けなくなる。したがって、信頼性の高いパティキュレート検出センサが実現できる。

また、第３の発明では、上記パティキュレート検出素子の被測定ガスに晒される部位を覆い、これを保護すると共に、上記検出部に被測定ガスを導入する被測定ガス入出孔を有するカバー体を具備すると共に、上記熱壁形成手段は、該カバー体の内側に向かって伸び、上記検出部以外の部位における周囲の被測定ガスと上記検出部に周囲の被測定ガスとを区画する隔壁を具備する（請求項３）。

第３の発明によれば、上記隔壁によって区画された上記検出部以外の部位における周囲の被測定ガスの温度が低下するのを抑制し、さらに、上記検出部以外の部位へのＰＭの堆積が抑制される。

第４の発明では、上記熱壁形成手段は、上記検出部の中間位置における温度と、上記検出部以外のパティキュレート検出素子の被測定ガスに晒される部位の中間位置における温度との温度差を５０℃以上２００℃以下に設定する（請求項４）。

第４の発明によれば、ＰＭを寄せ付けない熱壁を効率よく形成することができる。本発明者等の鋭意試験により、本発明によらず、上記温度差が５０℃より低い場合、又は、上記検出部の中間位置の温度が、上記検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置の温度より高い場合には、ＰＭが上記検出部以外の被測定ガスに晒される部位に堆積しやすくなり、また、上記温度差を２００℃以上としても、高いエネルギを必要とする割に、ＰＭの堆積を抑制する効果が向上しないことが判明した。

より望ましくは、第５の発明のように、上記熱壁形成手段は、上記温度差を１００℃以上２００℃以下に設定する。

第５の発明の範囲に設定することにより、最も効果的に上記検出部以外の部位へのＰＭの堆積を抑制できることが判明した。

本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出センサの概要を示し縦断面図。 本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出センサに用いられるパティキュレート検出素子の概要を示す展開斜視図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるパティキュレート検出センサの概要を示す要部断面図、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態におけるパティキュレート検出センサの概要を示す要部断面図。 本発明の効果を比較例と共に示す特性図。 パティキュレート検出素子と温度プロファイルとの関係を示す模式図であり、(ａ)は、本発明の作用原理を示す模式図、（ｂ）は、比較例として示す従来の問題点示す模式図。

本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１は、例えば、ディーゼル内燃機関から排出される燃焼排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の故障診断（ＯＢＤ）や、ＤＰＦの再生制御を行うべく、燃焼排気中のＰＭ、特に、導電性微粒子を検出に用いられる。

図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１について説明する。
パティキュレート検出センサ１は、パティキュレート検出素子１０を内側に挿入保持する略筒状のインシュレータ４０と、流路壁８０に固定され、インシュレータ４０を保持すると共に、パティキュレート検出素子１０の検出部を被測定流路８００内の所定の位置に保持するハウジング５０と、ハウジング５０の先端側に設けられ、パティキュレート検出素子１０の検出部を保護するカバー体３０と、ハウジング５０の基端側に設けられ、パティキュレート検出素子１０に接続される一対の信号線１１４、１２４及び一対の通電線１４６ａ、１４６ｂとを封止部材７０を介して基端側で固定する略筒状のケーシング６０とによって構成され、カバー体３０には、本発明の要部である熱壁形成手段の一つとして、隔壁３２０が形成され、パティキュレート検出素子１０には、熱壁形成手段の一つとして、内蔵するヒータ部１４は、検出部１００を加熱する発熱体１４０に加えて、発熱体１４０よりも単位面積当たりの発熱量が大きく、熱壁を形成する第２の発熱体１４１を備えている。検出部１００以外の部位の中間位置Ｂの周囲に存在する被測定ガス３０１の温度Ｔ_２は、検出部１００の中間位置Ａの周囲に存在する被測定ガス３００の温度Ｔ_１よりも高く設定可能となっている。

パティキュレート検出素子１０は、アルミナ等の電気絶縁性耐熱材料をドクターブレード法、プレス成形法、ＣＩＰ、ＨＩＰ等の公知の方法により平板状に形成した電気絶縁性耐熱基板１３と、スクリーン印刷等の公知の方法により白金等の導電性材料を用いて電気絶縁性耐熱基板１３上に所定の距離を離隔して設けた一対の検出電極１１、１２と、検出電極１１、１２と外部の電気抵抗計測手段とを導通させるリード部１１１、１２１及び端子部１１２、１２２と、検出電極１１、１２によって形成される検出部を所定の温度に加熱して、検出抵抗を安定化したり、検出部に堆積したＰＭを加熱除去したりするための通電により発熱するヒータ１４を構成する発熱体１４０に加え、検出部１００以外の被測定ガスに晒される部位を加熱しその周囲の被測定ガスの温度を上昇させ熱壁を形成する手段として設けた第２の発熱体１４１と、発熱体１４０及び第２の発熱体１４１と図略の通電制御装置とを接続する一対のヒータリード部１４２ａ、１４２ｂと、ヒータ端子部１４４ａ、１４４ｂと、電気絶縁性耐熱基板１５と、絶縁性耐熱基板１５を貫通しヒータリード部１４２ａ、１４２ｂとヒータ端子部１４４ａ、１４４ｂとを導通するスルーホール電極１４３ａ、１４３ｂと、によって構成されている。

端子部１１２、１２２は、接続金具１１３、１２３を介して信号線１１４、１２４に接続され、検出部１００に捕集・堆積されたＰＭ量に応じて変化する検出電極１１、１２間の検出電気抵抗を外部の電気抵抗検出手段に伝達される。
検出部１００を加熱する発熱体１４０（検出部加熱用）と、本発明の要部である熱壁形成手段として設けられた第２の発熱体１４１と、発熱体１４０（検出部加熱用）及び第２の発熱体１４１（熱壁形成用）とは、接続金具１４５ａ、１４５ｂを介して一対の導通線１４６ａ、１４６ｂに接続されている。

カバー体３０には、ＰＭを含む被測定ガスを検出部１００に導入・導出するための被測定ガス入出孔３１０、３１１が適宜穿設されており、さらに、本発明の要部である熱壁形成手段として、内側に向かって略円環状に伸び、カバー体３０の内側に導入された被測定ガスを検出部１００の周囲３００と検出部１００以外の部位の周囲（熱壁形成空間）３０１とを区画する隔壁３２０が設けられている。第２の発熱体１４１によって加熱された隔壁３２０の内側（基端側）に位置する熱壁形成空間３２０の温度が効率よく上昇し、ＰＭを寄せ付け難くなる。
後述する本発明者等の鋭意試験により、ＰＭは被測定ガスの温度の高い位置から温度の低い位置に移動し易く、パティキュレート検出素子１０に内蔵した第２の発熱体１４１によって、発熱体１４０によって加熱される検出部１００の中間位置の表面温度（Ｔ_１）より、検出部１００以外の部位の中間位置における表面温度（Ｔ_２）を高くすることによって、検出部１００以外の部位の周囲（熱壁形成空間）３０１にあたかも熱的な壁を形成したように、ＰＭをより温度の低い方へ押しやり、保護層２０の表面にＰＭが堆積しがたくなることが判明した。

なお、本実施形態においては、パティキュレート検出素子１０の長手軸方向に対して直交する方向に伸びる複数の櫛歯状に形成した検出電極１１、１２を対向させて一対の電極を形成した例を示したが、本発明において一対の検出電極１１、１２の形状を特に限定するものではなく、検出電極１１、１２を、パティキュレート検出素子１０の長手軸方向に伸びる複数の櫛歯状に形成し、これらを所定の間隙を設けて対向させて一対の電極としても良いし、検出電極１１、１２を略渦巻状に形成し、所定の間隙を設けて対向させて一対の電極としても良い。

図３を参照して本発明の第２の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１ａと第３の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１ｂとについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
上記実施形態においては、カバー体３０に隔壁３２０を設けた例を示したが、第２の実施形態においては、図３（ａ）に示すように、熱壁形成手段を第２の発熱体１４１ａの発熱量を多くすることによって、隔壁３２０を廃して検出部以外の周囲３０１ａの温度を高くして熱壁を形成する構成としても良い。
また、上記実施形態においては、検出部１００を加熱する発熱体１４０に延設して、第２の発熱体１４１を設けたが、第３に実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、検出部加熱用発熱体１４０とは別体に設けた第２の発熱体１４１ａを設けて、隔壁３２０に対して基端側に位置する検出部以外の周囲３０１における被測定ガスを直接加熱できる位置に配設しても良い。

図４を参照して、本発明の効果を比較例と共に説明する。本図は、パティキュレート検出素子の検出部１００の中間位置Ａにおける温度Ｔ_１と検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂにおける温度Ｔ_２との温度差ΔＴ（Ｔ_２−Ｔ_１）を横軸に、検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂに堆積するＰＭの付着率を縦軸として表したものである。
実施例１は、本発明の熱壁形成手段として、第２の発熱体１４１と、隔壁３２０とを有する第１の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１を用いて、検出部１００の中間位置Ａにおける温度Ｔ_１と検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂにおける温度Ｔ_２との温度差ΔＴを変化させた場合の検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置に堆積するＰＭの付着率を示し、実施例２は、本発明の熱壁形成手段として、第２の発熱体１４１ａのみを設けた第２の実施形態におけるパティキュレート検出センサ１ａを用いて、検出部１００の中間位置Ａにおける温度Ｔ_１と検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂにおける温度Ｔ_２との温度差ΔＴを変化させた場合の検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂに堆積するＰＭの付着率を示し、比較例は、本発明の熱壁形成手段を具備しない従来のパティキュレート検出センサ１ｚにおける検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置に堆積するＰＭの付着率を示す。
図４に示すように、第２の実施形態においては、温度差ΔＴを大きくする、即ち、検出部の中間位置Ａにおける温度Ｔ_１よりも、検出部以外の被測定ガスに晒される部位の中間位置Ｂにおける温度Ｔ_２を高くすると、従来のパティキュレート検出センサに比べて、徐々にＰＭ付着率が低くなって行くことが判明し、カバー体３０に隔壁３２０を設けた第１の実施形態においては、中間位置ＢにおけるＰＭ付着率をさらに低くできることが判明し、温度差ΔＴを５０℃以上２００℃以下に設定することによって安定した状態となることが判明した。さらに、温度差ΔＴを１００℃以上２００℃以下に設定すると、最も効果的に検出部１００以外の部位へのＰＭの堆積を抑制できることが判明した。

図５を参照して、本発明の作動原理について説明する。図５（ａ）に示すように、検出部１００の温度Ｔ_１より、検出部１００以外の部分の温度Ｔ_２を高くすることによって、その周囲の温度が上昇し、先端側から基端側に向かって温度が高くなる温度勾配が形成され、これがあたかも熱的な壁となって、被測定ガスによって運ばれたＰＭを検出部１００側に押し返し、保護層２０に寄せ付けられなくなる。本発明のパティキュレート検出素子１０では、検出部１００以外の保護層２０の表面に堆積したＰＭを燃焼除去するのではなく、保護層２０の周囲の被測定ガスの温度を高くすることによって、熱的な壁を形成して、そもそもＰＭが保護層２０の表面に寄せ付けられないようにして、ＰＭの堆積を抑制している。したがって、従来なされているような堆積したＰＭを燃焼除去すべく瞬間的に大きなエネルギを必要とすることはない。

一方、図５（ｂ）に示すような、検出部１００ｚと保護層２０ｚとの境界付近の発熱密度を高くした従来のパティキュレート検出センサ１ｚでは、素子１０ｚの発熱密度の高い検出部と保護層２０ｚとの境界付近高温部から離れた素子の根本部分は、発熱体１４０ｚによって加熱されておらず、表面温度が低くなるので、発熱密度が高く表面温度の高い境界付近との間に、先端側から基端側に向かって温度が下がる方向の温度勾配が大きくなり、その周囲に漂う被測定ガス中に含まれる微粒子はその温度勾配によって温度の低い保護層２０ｚ側に流され、却って堆積し易くなることが判明した。従来のパティキュレート検出素子１０ｚでは、検出部１００ｚの中間位置における温度（Ｔ_１ｚ、Ｔ_１ｚ’）は、常に検出部１００ｚ以外の部位の中間位置における温度（Ｔ_２Ｚ、Ｔ_２Ｚ’）よりも高くなっており、ＰＭはより低い温度に向かって移動し易く、検出部１００ｚよりも検出部１００ｚ以外の保護層２０ｚの表面により堆積し易くなる虞がある。
また、従来のパティキュレート検出素子１０ｚでは、発熱密度の高い検出部と保護層２０ｚとの境界付近高温部は、ＰＭを燃焼除去するときには、検出部１００ｚよりも高い温度に上昇するが、測定時においては、加熱されていないので、検出部１００ｚから境界付近高温部に向かって温度が下がる方向の温度勾配が形成され、検出部１００ｚ表面よりもむしろ境界付近高音部表面にＰＭが堆積しやすくなり、検出精度が低下する虞もある。

本発明は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、自動車エンジン等の内燃機関に搭載されるパティキュレート検出センサを例に説明したが、本発明のパティキュレート検出センサは、車載用に限定されるものではなく、火力発電所等の大規模プラントにおけるパティキュレート検出の用途にも利用可能である。
また、本発明は、上記実施形態に示すようにパティキュレート検出素子として、検出部に捕集・堆積したＰＭの量に応じて変化する電気抵抗を検出するものに特に好適であるが、プロトン導電性の固体電解質材料を用いて形成したプロトン導電性固体電解質体の被測定ガスに晒される表面に測定用電極を形成して、対向する被測定ガスから隔絶した表面に基準電極を形成して、電極対を構成した検出部と、プロトン導電体を活性化させるための発熱体とを具備し、測定電極表面に堆積したＰＭを電極対への通電により酸化させ、その際の酸化還元反応において発生するプロトンを検出してＰＭの濃度を算出するパティキュレート検出素子を用いたパティキュレート検出センサにも適用し得るものである。

１ パティキュレート検出センサ
１０ パティキュレート検出素子
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ リード部
１１２、１２２ 端子部
１１３、１１３ 接続金具
１１４、１１４ 信号線
１３、１５ 電気絶縁性耐熱基板
１４０ 発熱体
１４１ 第２の発熱体（熱壁形成手段）
１４２ａ、１４２ｂ ヒータリード部
１４３ａ、１４３ｂ スルーホール電極
１４４ａ、１４４ｂ ヒータ端子部
１４５ａ、１４５ｂ 接続金具
１４６ａ、１４６ｂ 通電線
２０ 電気絶縁保護層
３０ カバー体
３００ 検出部周辺被測定ガス空間
３０１ 熱壁形成空間
３１０、３１１ 被測定ガス入出孔
３２０ 隔壁（熱壁形成手段）
４０ インシュレータ
５０ ハウジング
６０ ケーシング
７０ 封止部材
８０ 被測定ガス流路壁
８００ 被測定ガス流路

特開昭５９−１９７８４７号公報

Claims (5)

1. 少なくとも被測定ガスに晒され、電気絶縁性耐熱基板の表面に所定の間隙を設けて対向する一対の検出電極を形成した検出部と、該検出部を所定の温度に加熱する発熱体とからなるパティキュレート検出素子を具備し、上記検出部に堆積した導電性微粒子の量に応じて変化する電気抵抗を測定して被測定ガス中の導電性微粒子の濃度を検出するパティキュレート検出センサにおいて、上記パティキュレート検出素子の検出部以外の被測定ガスに晒される部位における被測定ガスの温度を上記検出部における被測定ガスの温度より高くして熱的な壁を形成する熱壁形成手段を具備するパティキュレート検出センサ。
2. 上記熱壁形成手段は、上記検出部を加熱する上記発熱体に延設して、又は、上記発熱体とは別に設けて、上記発熱体よりも単位面積当たりの発熱量が大きく、上記検出部以外の被測定ガスに晒される部位を加熱する第２の発熱体とする請求項１に記載のパティキュレート検出センサ。
3. 上記パティキュレート検出素子の被測定ガスに晒される部位を覆い、これを保護すると共に、上記検出部に被測定ガスを導入する被測定ガス入出孔を有するカバー体を具備すると共に、上記熱壁形成手段は、該カバー体の内側に向かって伸び、上記検出部以外の部位における周囲の被測定ガスと上記検出部における周囲の被測定ガスとを区画する隔壁を具備する請求項１、又は、２に記載のパティキュレート検出センサ。
4. 上記熱壁形成手段は、上記検出部の中間位置における温度と、上記検出部以外のパティキュレート検出素子の被測定ガスに晒される部位の中間位置における温度との温度差を５０℃以上２００℃以下に設定する請求項１ないし３のいずれかに記載のパティキュレート検出センサ。
5. 上記熱壁形成手段は、上記温度差を１００℃以上２００℃以下に設定する請求項４に記載のパティキュレート検出センサ。

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