JP2011089791A - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭの検出を中断する期間が短いＰＭセンサを提供すること。
【解決手段】ＰＭセンサおよびＥＣＵは、エンジンの排気管に設けられたセンサ素子にＰＭが付着することによる静電容量の変化に基づいて、排気に含まれるＰＭ量に相関のある値を検出する。センサ素子には、付着したＰＭを燃焼除去するヒータが設けられ、ＥＣＵはヒータを制御しセンサ素子を再生する。ＥＣＵは、センサ素子へのＰＭ付着量が所定量Ｑ_３になるようにセンサ素子を再生する。この所定量Ｑ_３は、センサ素子にＰＭが付着したときに、静電容量に有意な変化が現れるＰＭの付着量である。
【選択図】図６

Description

本発明は、粒子状物質検出装置に関する。特に、内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置に関する。

内燃機関の排気管に、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタを設け、粒子状物質の排出量を低減する技術は広く用いられている。また、排気浄化フィルタが設けられた車両には、排気浄化フィルタの故障を検知するための装置も設けられる。このような排気浄化フィルタの故障検知装置として、特許文献１には、排気浄化フィルタの下流側に排気中の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置を設け、この粒子状物質検出装置の出力に基づいて排気浄化フィルタの故障を検知する故障検知装置が示されている。

また、このような故障検知装置に用いられる粒子状物質検出装置としては、従来、以下に示すようなものが提案されている。

例えば、特許文献２には、多孔質の導電性物質で構成された電極部を備える粒子状物質検出装置が示されている。この粒子状物質検出装置は、粒子状物質が自然に付着することによる電極部の電気抵抗値の変化を測定し、この測定値に基づいて排気に含まれる粒子状物質の濃度を検出する。

特許文献３には、静電集塵式の粒子状物質検出装置が提案されている。この静電集塵式の粒子状物質検出装置では、一対の電極板で構成された電極部を排気管内に設け、この検出電極に所定の電圧を印加することで粒子状物質を付着させる。次に、粒子状物質が付着した電極部の静電容量等の電気的特性を測定することにより、排気の粒子状物質の濃度を検出する。

ところで、電極部に付着させることができる粒子状物質の量には限界があるため、粒子状物質の検出を続けるには、粒子状物質の付着量が上記限界を超えないようにする必要がある。そこで、これら特許文献２，３の粒子状物質検出装置では、電極部への粒子状物質の付着量が上記限界付近に達したときには、付着した粒子状物質をヒータにより燃焼除去し、電極部を再生する。

特開２００７−３１５２７５号公報 特開２００６−２６６９６１号公報 特開２００８−１３９２９４号公報

このように、電極部の電気的特性の変化に基づいて粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置では適宜電極部を再生する必要があるため、断続的にしか粒子状物質を検出することができない。また、電極部の再生が完了した直後、すなわち電極部に粒子状物質が殆ど付着していない状態では、粒子状物質の付着による電気的特性の変化は非常に小さい。このため、電極部を再生した後は、例えば電極部に集塵電圧を印加することにより、電気的特性の変化が現れるまで粒子状物質を付着させる必要がある。

以上のように従来の粒子状物質検出装置では、粒子状物質の検出に加えて電極部の再生と粒子状物質の集塵とを行う必要があり、粒子状物質検出装置を駆動している期間の中で実際に粒子状物質を検出できる期間は限られたものとなる。
また、従来の粒子状物質検出装置では再生や集塵により粒子状物質の検出を中断する期間が長いため、排気浄化フィルタの故障検知装置以外への適用が困難であった。

本発明は、粒子状物質の検出を中断する期間が短い粒子状物質検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気管４）に設けられた電極部（例えば、後述の電極板１３０，１３１および集塵部１２０）と、前記電極部の電気的特性（例えば、静電容量）を検出する検出手段（例えば、後述のセンサ制御ユニット１７）と、前記電極部に粒子状物質が付着することによる前記電気的特性の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段（例えば、後述のＥＣＵ５およびセンサ制御ユニット１７）と、前記電極部に付着した粒子状物質を除去する再生手段（例えば、後述のヒータ層１２２，１２９およびセンサ制御ユニット１７）と、前記再生手段を制御し前記電極部を再生する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備える粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ５）を提供する。前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が所定量（例えば、後述のＱ_３）になるように前記電極部を再生し、前記所定量は、前記電極部に粒子状物質が付着したときに、前記電気的特性に有意な変化が現れる粒子状物質の付着量である。

本発明によれば、粒子状物質が付着した電極部は、再生手段とこの再生手段を制御する再生制御手段により再生される。そして、粒子状物質が付着した電極部を再生する際、再生制御手段は電極部への粒子状物質の付着量が所定量になるように電極部を再生する。すなわち、所定量を残し粒子状物質を除去しきらないように電極部を再生することにより、従来と比較して再生にかかる時間を短縮することができる。また、電極部の再生が完了した直後には、粒子状物質が付着したときに電気的特性に有意な変化が現れる程度の量の粒子状物質が電極部に残っているので、再生した直後から粒子状物質の検出が可能となる。すなわち、従来の粒子状物質検出装置では、再生が完了する毎に所定量の粒子状物質を集塵する必要があったが、本発明によれば、このような集塵を行う必要がない。

以上のように、本発明によれば、再生にかかる時間を短縮できかつ集塵を行う必要もないので、粒子状物質の検出を中断する期間を短くすることができる。これにより、再生や集塵にかかるエネルギーを節約することができる。また、中断する期間を短くすることで、粒子状物質を検出する期間を長くできるので、粒子状物質の検出精度を向上することができる。この粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの故障検知装置に応用した場合には、故障の判定精度を向上することもできる。また、粒子状物質の検出を中断する期間を短くすることにより、この粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの故障検知装置以外に応用することができる。より具体的には、例えば、内燃機関の燃焼制御や排気浄化フィルタにおける粒子状物質の堆積量の補正演算などに応用することが考えられる。

この場合、前記所定量は、前記電極部に粒子状物質が付着したときに、前記電気的特性に有意な変化が現れる粒子状物質の付着量のうち最小量（例えば、後述のＱ_１）又は当該最小量の近傍に設定されることが好ましい。

本発明によれば、電極部を再生した後に、電極部に残しておく粒子状物質の量を最小量又はその近傍に設定された量にすることにより、より長い時間にわたって粒子状物質を検出することができる。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気管４）に設けられた電極部（例えば、後述の電極板１３０，１３１および集塵部１２０）と、前記電極部の電気的特性を検出する検出手段（例えば、後述のセンサ制御ユニット１７）と、前記電極部に粒子状物質が付着することによる前記電気的特性の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段（例えば、後述のＥＣＵ５およびセンサ制御ユニット１７）と、前記電極部に付着した粒子状物質を除去する再生手段（例えば、後述のヒータ層１２２，１２９およびセンサ制御ユニット１７）と、前記再生手段を制御し前記電極部を再生する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備える粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ５）を提供する。前記粒子状物質検出手段の検出可能領域（例えば、後述の検出可能領域Ｑ_１〜Ｑ_２）を前記電極部への粒子状物質の付着量に対して設定し、前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記検出可能領域内に含まれるように前記電極部を再生する。

本発明によれば、粒子状物質が付着した電極部は、再生手段とこの再生手段を制御する再生制御手段により再生される。そして、粒子状物質検出手段の検出可能領域、すなわち電極部に粒子状物質が付着することによる電気的特性の変化を検出できる領域を、電極への粒子状物質の付着量に対して設定し、再生制御手段は電極部への粒子状物質の付着量が上記検出可能領域内に含まれるように電極部を再生する。

上述のように、電極部に粒子状物質が殆ど付着していない状態では、粒子状物質の付着による電気的特性の変化は非常に小さいため、粒子状物質検出手段は上記検出可能領域の外にある。本発明によれば、粒子状物質の付着量が検出可能領域内に含まれるように、すなわち所定量を残し粒子状物質を除去しきらないように電極部を再生することにより、従来と比較して再生にかかる時間を短縮することができる。また、粒子状物質の付着量が検出可能領域内に含まれるように電極部を再生することにより、再生した直後から粒子状物質の検出が可能となる。すなわち、本発明によれば、再生が完了する毎に粒子状物質の集塵を行う必要がない。

以上のように、本発明によれば、再生にかかる時間を短縮できかつ集塵を行う必要もないので、粒子状物質の検出を中断する期間を短くすることができる。これにより、再生や集塵にかかるエネルギーを節約することができる。また、中断する期間を短くすることで、粒子状物質を検出する期間を長くできるので、粒子状物質の検出精度を向上することができる。この粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの故障検知装置に応用した場合には、故障の判定精度を向上することもできる。また、粒子状物質の検出を中断する期間を短くすることにより、この粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの故障検知装置以外に応用することができる。

この場合、前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記検出可能領域内の最小量（例えば、後述のＱ_１）又はその近傍に設定された量（例えば、後述のＱ_３）になるように前記電極部を再生することが好ましい。

本発明によれば、電極部を再生した後に、電極部に残しておく粒子状物質の量を最小量又は当該最小量の近傍に設定された量にすることにより、より長い時間にわたって粒子状物質を検出することができる。

この場合、前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、前記再生制御手段は、前記加熱手段による前記電極部の加熱を開始してから、前記電気的特性の検出値（例えば、後述の静電容量Ｃ）が終了判定値（例えば、後述の終了判定値Ｃ_２）になったときに当該加熱手段による加熱を終了することが好ましい。

本発明によれば、加熱手段により電極部を加熱することで、付着した粒子状物質を燃焼除去する。そして、加熱手段による加熱を開始してから、電気的特性の検出値が終了判定値になったときに加熱手段による加熱を終了する。このように加熱手段による加熱を終了する時期を、粒子状物質の量と強い相関のある電極部の電気的特性の検出値に基づいて決定することにより、再生後における粒子状物質の量を適切な量にすることができる。

この場合、前記粒子状物質検出装置は、前記電極部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、前記再生制御手段は、前記加熱手段による前記電極部の加熱を開始してから、当該電極部の温度が終了判定温度（例えば、後述の終了判定温度Ｔ_１）に達したときに当該加熱手段による加熱を終了することが好ましい。

本発明によれば、加熱手段により電極部を加熱することで、付着した粒子状物質を燃焼除去する。そして、加熱手段による加熱を開始してから、電極部の温度が終了判定温度に達したときに加熱手段による加熱を終了する。これにより、適切な時期に加熱手段による加熱を終了し、結果として再生後における粒子状物質の量を適切な量にすることができる。

この場合、前記粒子状物質検出装置は、前記電極部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、前記再生制御手段は、前記加熱手段により前記電極部をホールド時間（例えば、後述のホールド時間Δｔ）に亘り一定の温度（例えば、後述の設定温度Ｔ_０´´）に維持した後に、当該加熱手段による加熱を終了することが好ましい。

本発明によれば、加熱手段により電極部をホールド時間に亘り一定の温度に維持した後、加熱手段による加熱を終了する。このように、電極部の温度と電極部を加熱する時間を固定することにより、適切な時期に加熱手段による加熱を終了し、結果として再生後における粒子状物質の量を適切な量にすることができる。

本発明の第１実施形態に係るＰＭセンサが適用されたエンジンの排気浄化装置の構成を示す図である。 上記実施形態に係るＰＭセンサの概略構成を示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の集塵部内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の集塵部に付着したＰＭの量とセンサ素子の静電容量との関係を模式的に示す図である。 上記実施形態に係るＥＣＵによるＰＭセンサ制御の手順を示す図である。 上記実施形態に係るヒータでセンサ素子の集塵部を加熱した際におけるセンサ素子の静電容量の変化を示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るセンサ素子をヒータで加熱した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るセンサ素子をヒータで加熱した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す図である。 上記実施形態に係るセンサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態以後の説明において、第１実施形態と共通する構成については説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成を示す模式図である。
内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、各気筒内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）」という）５により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。

エンジン１の排気が流通する排気管４には、排気に含まれる炭素を主成分とした粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を捕集し排気を浄化する排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」という）３と、排気に含まれるＰＭを検出する粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１１とが、上流側からこの順で設けられている。

ＤＰＦ３は、多孔質体のフィルタ壁を備え、排気がこのフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気に含まれるＰＭをフィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の孔に堆積させることにより、これを捕集する。

図２は、ＰＭセンサ１１の概略構成を示す図である。
ＰＭセンサ１１は、排気管４の内部のうちＤＰＦ３の下流側に設けられたセンサ素子１２と、ＥＣＵ５に接続され、このセンサ素子２２を制御するセンサ制御ユニット１７と、を備える。ＰＭセンサ１１は、以下に示すように、排気管４内を流通する排気に含まれるＰＭが付着したセンサ素子１２の電気的特性を測定し、この測定値に基づいて、排気管内を流通する排気中のＰＭを検出する。

センサ制御ユニット１７は、集塵用ＤＣ電源１３と、インピーダンス測定器１４と、センサ素子１２の温度を制御する温度制御装置１５と、を含んで構成される。

図３は、センサ素子１２の斜視図である。
図３に示すように、センサ素子１２は、ＰＭを含む排気が通過する通気孔を有しており、この通気孔により集塵部１２０が形成される。排気中に含まれるＰＭは、この集塵部１２０の内壁に付着して堆積する。

図４は、センサ素子１２の分解斜視図である。
センサ素子１２は、図４に示すように、一対の電極板１３０，１３１を、板状のスペーサ１２５Ａ，１２５Ｂを介装して組み合わせ、ヒータ層１２２，１２９およびアルミナプレート１２１で挟持することにより構成される。これにより、電極板１３０，１３１、スペーサ１２５Ａ，１２５Ｂに囲まれた集塵部１２０が形成される。

電極板１３０は、誘電体層１２４と、集塵電極層１２３とを積層することにより形成される。また、電極板１３１は、誘電体層１２６と、測定電極層１２７と、集塵電極層１２８とを積層することにより形成される。

測定電極層１２７は、一対の櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える。具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、測定電極層１２７の一端側の集塵部１２０に対応する位置に形成された一対の櫛歯部と、この櫛歯部から他端側へかけて延びる一対の櫛本体部と、を含んで構成される。より具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、一方の櫛形の測定電極１２７Ａの櫛歯部と他方の櫛形の測定電極１２７Ｂの櫛歯部とが相互に挟み合うように対向配置されている。
また、一対の櫛本体部は、インピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。

ここで、測定電極層１２７に櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える本実施形態のＰＭ検出メカニズムについて説明する。
図５は、本実施形態のセンサ素子１２の集塵部１２０内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。図５に示すように、集塵部１２０に集塵されたＰＭは、櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂの櫛歯部上に誘電体層を介して堆積する。このとき、隣接する測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間におけるもれ電界が、堆積したＰＭによる影響を受け、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間の電気的特性が変化する。この電気的特性の変化は、ＰＭの付着量に相関があることから、この電気的特性の変化を測定することにより、排気に含まれるＰＭを検出できる。なお、以下の説明において、センサ素子１２の電気的特性とは、センサ素子１２のうちＰＭの付着量に相関のある集塵部１２０の電気的特性を意味する。

集塵電極層１２３，１２８は、タングステン導体層からなる集塵電極１２３Ａ，１２８Ａを備える。この集塵電極１２３Ａ，１２８Ａは、集塵電極層１２３，１２８の一端側の集塵部１２０に対応する位置に略正方形状に形成された導体部と、この導体部からアルミナ基板の他端側へかけて線状に延びる導線部と、を含んで構成される。
また、集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部は、集塵用ＤＣ電源１３に電気的に接続されている。
なお、集塵電極１２３Ａ、１２８Ａの導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。

ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａを備え、これらヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａは、温度制御装置１５およびインピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。
また、アルミナプレート１２１は、略矩形状のアルミナ基板であり、厚みは約１ｍｍである。

集塵用ＤＣ電源１３は、集塵電極層１２３，１２８に備えられた集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部に電気的に接続されている。集塵用ＤＣ電源１３は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、後述する測定電圧よりも大きい所定の集塵電圧を集塵電極層１２３，１２８間に印加する。これにより、ＰＭのセンサ素子１２への付着を促進することができる。

インピーダンス測定器１４は、測定電極層１２７の一対の櫛本体部に電気的に接続されている。インピーダンス測定器１４は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧および測定周期のもとで、センサ素子１２の電気的特性を検出し、検出した静電容量に略比例した検出信号をＥＣＵ５に出力する。なお、本実施形態では、インピーダンス測定器１４により、センサ素子１２の電気的特性として特に集塵部１２０の静電容量を検出するが、これに限るものではない。

また、インピーダンス測定器１４は、センサ素子１２の集塵部１２０の静電容量の他、ヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａの抵抗値を検出する。ＥＣＵ５では、検出されたヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａの抵抗値に基づいて、センサ素子１２の集塵部１２０の温度を算出する。

温度制御装置１５は、各電極板１３０，１３１に接して設けられたヒータ層１２２，１２９のヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａに電気的に接続されており、これらヒータ層１２２，１２９に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源（図示せず）を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ層１２２，１２９に所定の電流を通電する。ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ用電源から電流が供給されると発熱し、各電極板１３０，１３１を加熱する。これにより、各電極板１３０，１３１を加熱し、集塵部１２０に付着したＰＭを燃焼除去することができる。

図１に戻って、ＥＣＵ５には、以上のようなＰＭセンサ１１のセンサ制御ユニット１７の他、警告灯６が接続されている。警告灯６は、ＤＰＦ３が故障した状態であることを示すためのものであり、例えば、車両のメータパネルに設けられる。警告灯６は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて点灯し、これにより運転者はＤＰＦ３が故障した状態であることを認識することができる。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果等を記憶する記憶回路と、センサ制御ユニット１７、警告灯６、およびエンジン１の燃料噴射弁等に制御信号を出力する出力回路とを備える。

以下では、図６〜図９を参照して、ＥＣＵによるＰＭセンサ制御について説明する。

図６は、センサ素子の集塵部に付着したＰＭの量（以下、「ＰＭ付着量」という）とセンサ素子の静電容量との関係を模式的に示す図である。図６では、横軸をＰＭ付着量とし縦軸を静電容量とする。

センサ素子には集塵部の容積を超える量のＰＭを付着させることができないため、センサ素子のＰＭ付着量には集塵部の容積に応じた限界量Ｑ_Ｍがある。この限界量Ｑ_Ｍ以下において、センサ素子の静電容量はＰＭ付着量に対して以下のように変化する。

ＰＭ付着量が０から所定量Ｑ_１までの間は、ＰＭは集塵部の内壁に薄くまばらに付着した状態であり、ＰＭがセンサ素子の電気的特性に及ぼす影響が小さく、ＰＭ付着量によらず静電容量は初期値Ｃ_０一定のままである。このため、集塵部にＰＭが付着してもセンサ素子の静電容量に有意な変化は現れない。
また、ＰＭ付着量が上記所定量Ｑ_１を超えると、集塵部の内壁にＰＭが薄く堆積し始めた状態となり、センサ素子の静電容量は初期値Ｃ_０から変化し始める。このため、ＰＭ付着量が所定量Ｑ_１を超えた領域では、付着したＰＭの量をセンサ素子の静電容量の変化量から特定することができる。

ＥＣＵは、上記Ｑ_１を下限値とし、上記限界量Ｑ_Ｍよりもやや小さなＱ_２を上限値とした検出可能領域を、電極部のＰＭ付着量に対して設定する。なお、ＰＭ付着量がＱ_１のときにおける静電容量をＣ_０とし、ＰＭ付着量がＱ_２のときにおける静電容量をＣ_４とする。検出可能領域内では、センサ素子の静電容量はＰＭ付着量に応じて増加する特性があるため、静電容量からＰＭ付着量を特定することができる。そこでＥＣＵは、このような検出可能領域内にセンサ素子のＰＭ付着量を制御する。そして、インピーダンス測定器の出力に基づいてセンサ素子の静電容量の変化を検出し、さらにこの静電容量の変化に基づいて、ＰＭ付着量の変化、すなわち排気に含まれるＰＭの量や、このＰＭ量に相関のあるＰＭ濃度などの値を検出する。

図７は、ＥＣＵによるＰＭセンサ制御の手順を示す図である。図７において、横軸は時間を示し縦軸はセンサ素子の静電容量を示す。なお図７には、センサ素子にＰＭが付着していない状態から起動した例を示す。
図７に示すように、ＰＭセンサ制御は、排気中のＰＭをセンサ素子に積極的に付着させる集塵制御と、排気中のＰＭを検出するＰＭ検出制御と、センサ素子に付着したＰＭを除去するセンサ再生制御との３つの種類に分けられる。以下では、これら集塵制御、ＰＭ検出制御、センサ再生制御の３つの制御について詳細に説明する。

＜集塵制御＞
図６を参照して詳述したように、検出可能領域の下限値Ｑ_１を超える量のＰＭが付着していない場合、センサ素子にＰＭが付着しても静電容量に変化はないため、ＰＭの検出を行うことができない。そこで、集塵制御では、ＰＭセンサを起動した直後など、センサ素子にＰＭが付着していないときにはセンサ素子の集塵電極層に集塵電圧を印加することにより、ＰＭのセンサ素子への付着を促進する。

＜ＰＭ検出制御＞
図６を参照して詳述したように、ＰＭ付着量が検出可能領域内にある場合、センサ素子にＰＭが付着すると静電容量に変化が現れる。そこで、ＰＭ検出制御では、ＰＭ付着量が検出可能領域内にある場合に、インピーダンス測定器により測定されたセンサ素子の静電容量の変化に基づいて、排気に含まれるＰＭの量を検出する。
また、このようにしてＰＭ量を検出している間は、検出したＰＭ量に基づいてＤＰＦの故障を判定する。すなわち、ＤＰＦが正常な状態である場合には、エンジンから排出されたＰＭの殆どはＤＰＦに捕捉されるため、ＤＰＦの下流側のＰＭセンサにより検出される排気中のＰＭ量はごく僅かである。したがって、ＰＭセンサにより検出されたＰＭ量が所定量より少ない場合にはＤＰＦは正常な状態であると判定する。一方、ＰＭセンサにより検出されたＰＭ量が上記所定量以上である場合には、ＤＰＦは故障した状態であると判定し、上記警告灯を点灯させる。

＜センサ再生制御＞
図６を参照して詳述したように、センサ素子には上記限界量Ｑ_Ｍを超えてＰＭを付着させることができないので、ＰＭ付着量が限界量Ｑ_Ｍに近くなると、センサ素子に付着したＰＭを除去する必要がある。
センサ再生制御では、ヒータによりセンサ素子を加熱し、センサ素子に付着したＰＭを燃焼除去する。このとき、ＰＭ付着量が０になるまでセンサ素子を再生してしまうと、再生後、再びＰＭの検出を開始するためには、ＰＭ付着量が検出可能領域の下限値Ｑ_１に達するまで集塵を行う必要がある。このため、再生後のセンサ素子のＰＭ付着量が検出可能領域内に含まれるようにヒータを制御し、センサ素子を再生する。

より具体的には、ＰＭ付着量が検出可能領域の上限値Ｑ_２を超えたことに応じて、ヒータをオンにしセンサ素子の加熱を開始する。その後、センサ素子に付着したＰＭを完全に除去しきらないように、すなわち再生後のＰＭ付着量が検出可能領域の下限値Ｑ_１よりもやや大きな値に設定された目標値Ｑ_３になるように、ヒータをオフにする。以下では、このような概念に基づくセンサ素子の再生制御について、図８および図９を参照して説明する。

図８は、ヒータでセンサ素子の集塵部を加熱した際におけるセンサ素子の静電容量の変化を示す図である。より具体的には、時刻ｔ_０においてヒータによる加熱を開始し、センサ素子の温度を再生時の設定温度まで昇温した場合におけるセンサ素子の静電容量の変化を示す。図８において、実線は、ＰＭが付着した状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示し、破線は、ＰＭが付着していない状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示す。

図８に示すように、センサ素子の静電容量は、集塵部にＰＭが付着することだけでなく、センサ素子の温度が変わることによっても大きく変化する。より具体的には、図８中、破線で示すように、センサ素子を上記再生時の設定温度まで昇温することにより、その静電容量はＣ_０からＣ_０´まで変化する。

一方、図８中、実線で示すように、センサ素子にＰＭが付着している場合、付着していないものに対してその静電容量は高くなっている。また、時刻ｔ_０からヒータによる加熱を開始すると、センサ素子および付着したＰＭの温度が上昇することにより、センサ素子の静電容量はＣ_４から上昇し始める。その後、センサ素子の温度がＰＭの燃焼温度を超えることにより付着していたＰＭが燃焼する。そして、ＰＭが除去されることにより、センサ素子の静電容量は上述のＣ_０´に収束する。

ここで、ＰＭが付着した場合とＰＭが付着していない場合とで比較すると、ＰＭが付着したセンサ素子を加熱した場合、付着したＰＭが燃焼することで発生した熱によりセンサ素子の温度が一時的に上昇するため、図８に示すように、センサ素子の静電容量は凸状の振る舞いを示す。したがって、このようなＰＭが燃焼している期間内の適切な時期にヒータをオフにすることにより、上述のように、センサ素子に付着したＰＭを完全に除去しきらないように、上記目標値Ｑ_３程度の燃え残しを発生させることができる。また、ＰＭが付着したセンサ素子を加熱した場合、静電容量がこのような特徴的な振る舞いを示すことから、ヒータをオフにするのに適切な時刻ｔ_１を、センサ素子の静電容量が上記Ｃ_０´よりも大きなＣ_２を超えた時刻から決めることができる。なお、このヒータをオフにする時期を判定するための静電容量Ｃ_２は、再生後のセンサ素子の静電容量がＣ_１、すなわちＰＭ付着量がＱ_３になるように、実験により決定される。

図９は、センサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。このセンサ素子の再生制御は、センサ素子の静電容量が上記Ｃ_４（上述の図６参照）を超えたと判断されたことに応じて、ＥＣＵにより実行される。

ステップＳ１では、ヒータをオンにし、センサ素子の加熱を開始する。これにより、センサ素子の温度は、ＰＭの燃焼温度より高い設定温度へ向けて上昇する。ステップＳ２では、センサ素子の静電容量Ｃを検出し、ステップＳ３に移る。ステップＳ３では、上記ステップＳ２で検出した静電容量Ｃが上記Ｃ_２以上になったか否かを判別する。ステップＳ３の判別がＮＯの場合にはステップＳ２に移り、センサ素子の再生を継続する。ステップＳ３の判別がＹＥＳの場合にはステップＳ４に移り、ヒータをオフにし、センサ素子の加熱を終了する。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態によれば、ＰＭが付着したセンサ素子を再生する際、ＥＣＵは、再生後のセンサ素子へのＰＭ付着量が所定量Ｑ_３になるようにセンサ素子を再生する。すなわち、所定量Ｑ_３を残しＰＭを除去しきらないようにセンサ素子を再生することにより、従来と比較して再生にかかる時間を短縮することができる。また、センサ素子の再生が完了した直後には、ＰＭが付着したときに静電容量に有意な変化が現れる程度の量のＰＭがセンサ素子に残っているので、再生した直後からＰＭの検出が可能となる。すなわち、従来のＰＭセンサでは、再生が完了する毎に所定量のＰＭを集塵する必要があったが、本実施形態によれば、このような集塵を行う必要がない。

以上のように、本実施形態によれば、再生にかかる時間を短縮できかつ集塵を行う必要もないので、ＰＭの検出を中断する期間を短くすることができる。これにより、再生や集塵にかかるエネルギーを節約することができる。また、中断する期間を短くすることで、ＰＭを検出する期間を長くできるので、ＰＭの検出精度を向上することができる。このＰＭセンサをＤＰＦの故障検知装置に応用した場合には、故障の判定精度を向上することもできる。また、ＰＭの検出を中断する期間を短くすることにより、例えば、エンジンの燃焼制御やＤＰＦにおけるＰＭの堆積量の補正演算などといった、ＤＰＦの故障検知装置以外の装置に応用することが考えられる。

（２）本実施形態によれば、センサ素子を再生した後に、集塵部に残しておくＰＭの量を、検出可能領域の下限値Ｑ_１の近傍に設定された量Ｑ_３にすることにより、より長い時間にわたって粒子状物質を検出することができる。

（３）本実施形態によれば、ヒータによる加熱を開始してから、静電容量の検出値Ｃが終了判定値Ｃ_２になったときにヒータによる加熱を終了する。このようにヒータによる加熱を終了する時期を、ＰＭ付着量と強い相関のあるセンサ素子の静電容量に基づいて決定することにより、再生後におけるＰＭ付着量を適切な量にすることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、センサ素子の再生制御の手順が第１実施形態と異なる。より具体的には、センサ素子の再生制御においてヒータをオフにする条件が第１実施形態と異なる。

図１０は、センサ素子をヒータで加熱した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す図である。より具体的には、時刻ｔ_０においてヒータによる加熱を開始し、センサ素子の温度を再生時の設定温度Ｔ_０´まで昇温した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す。図１０において、実線は、ＰＭが付着した状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示し、破線は、ＰＭが付着していない状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示す。

図１０中、破線で示すように、時刻ｔ_０からヒータによる加熱を開始すると、センサ素子の温度はＴ_０から上昇し、上記設定温度Ｔ_０´に到達する。
一方、図１０中、実線で示すように、センサ素子にＰＭが付着している場合、時刻ｔ_０からヒータによる加熱を開始すると、加熱を開始した直後はＰＭが付着していない場合と同様に昇温する。その後、センサ素子の温度がＰＭの燃焼温度Ｔ_ＰＭを超えることにより付着していたＰＭが燃焼する。そして、ＰＭが除去された後は、センサ素子の温度は上記設定温度Ｔ_０´に収束する。

ここで、ＰＭが付着した場合とＰＭが付着していない場合とで比較すると、ＰＭが付着したセンサ素子を加熱した場合、付着したＰＭが燃焼することで発生した熱によりセンサ素子の温度が一時的に上昇するため、図１０に示すように、センサ素子の温度は凸状の振る舞いを示す。したがって、このようなＰＭが燃焼している期間内の適切な時期にヒータをオフにすることにより、上述のように、センサ素子に付着したＰＭを完全に除去しきらないように、上記目標値Ｑ_３（上述の図６参照）程度の燃え残しを発生させることができる。また、ＰＭが付着したセンサ素子を加熱した場合、センサ素子の温度がこのような特徴的な振る舞いを示すことから、ヒータをオフにするのに適切な時刻ｔ_１を、センサ素子の温度が上記Ｔ_０´よりも大きなＴ_１を超えた時刻から決めることができる。なお、このヒータをオフにする時期を判定するための温度Ｔ_１は、再生後のセンサ素子のＰＭ付着量がＱ_３になるように、実験により決定される。

図１１は、センサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。このセンサ素子の再生制御は、第１実施形態と同様に、センサ素子のＰＭ付着量が上記Ｃ_４（上述の図６参照）を超えたと判断されたことに応じて、ＥＣＵにより実行される。

ステップＳ１１では、ヒータをオンにし、センサ素子の加熱を開始する。これにより、センサ素子の温度は、上記設定温度Ｔ_０´へ向けて上昇する。ステップＳ１２では、センサ素子の温度Ｔを検出し、ステップＳ１３に移る。ステップＳ１３では、上記ステップＳ１２で検出したセンサ素子の温度Ｔが上記Ｔ_１以上になったか否かを判別する。ステップＳ１３の判別がＮＯの場合にはステップＳ１２に移り、センサ素子の再生を継続する。ステップＳ１３の判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１４に移り、ヒータをオフにし、センサ素子の加熱を終了する。

本実施形態によれば、上記（１）、（２）に加えて以下の効果を奏する。
（４）本実施形態によれば、ヒータによる加熱を開始してから、センサ素子の温度が終了判定温度Ｔ_１に達したときにヒータによる加熱を終了することにより、適切な時期にヒータによる加熱を終了し、結果として再生後におけるＰＭ付着量を適切な量にすることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、センサ素子の再生制御の手順が第２実施形態と異なる。より具体的には、センサ素子の再生制御においてヒータをオフにする条件が第２実施形態と異なる。

図１２は、センサ素子をヒータで加熱した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す図である。より具体的には、時刻ｔ_０においてヒータによる加熱を開始し、センサ素子の温度を再生時の設定温度Ｔ_０´´まで昇温した場合におけるセンサ素子の温度の変化を示す。図１２において、実線は、ＰＭが付着した状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示し、破線は、ＰＭが付着していない状態におけるセンサ素子を加熱した場合を示す。

図１２中、破線で示すように、時刻ｔ_０からヒータによる加熱を開始すると、センサ素子の温度はＴ_０から上昇し、上記設定温度Ｔ_０´´に到達する。
一方、図１２中、実線で示すように、センサ素子にＰＭが付着している場合、時刻ｔ_０からヒータによる加熱を開始すると、加熱を開始した直後はＰＭが付着していない場合と同様に昇温する。その後、センサ素子の温度がＴ_０´´に到達することにより、付着していたＰＭが燃焼する。そして、ＰＭが除去された後は、センサ素子の温度は上記設定温度Ｔ_０´´に収束する。

ところで、上述のように、センサ素子の再生制御はセンサ素子の静電容量がＣ_４を超えたと判断されたことに応じて実行されるので、センサ素子の再生制御を開始する際におけるＰＭ付着量は常に一定であるといえる。したがって、ＰＭを燃焼させているときにおけるセンサ素子の温度Ｔ_０´´と、ＰＭの燃焼が開始してから経過した時間（以下、「ホールド時間」という）Δｔとの２つを適切な値に固定することにより、センサ素子に付着したＰＭを完全に除去しきらないように、上記目標値Ｑ_３（上述の図６参照）程度の燃え残しを発生させるようにセンサ素子を再生することができる。

なお、このようにＰＭを燃焼させるときにおけるセンサ素子の温度と燃焼時間とを固定する場合、長い時間をかけて安定してＰＭを燃焼させることが好ましい。このため、設定温度Ｔ_０´´は、ＰＭの燃焼温度Ｔ_ＰＭの近傍に設定することが好ましい。なお、このヒータをオフにする時期を判定するためのホールド時間Δｔは、再生後のセンサ素子のＰＭ付着量がＱ_３になるように、実験により決定される。

図１３は、センサ素子の再生制御の手順を示すフローチャートである。このセンサ素子の再生制御は、第２実施形態と同様に、センサ素子のＰＭ付着量が上記Ｃ_４（上述の図６参照）を超えたと判断されたことに応じて、ＥＣＵにより実行される。

ステップＳ２１では、ヒータをオンにし、センサ素子の加熱を開始する。これにより、センサ素子の温度は、上記設定温度Ｔ_０´´へ向けて上昇する。ステップＳ２２では、センサ温度Ｔを検出し、ステップＳ２３に移る。ステップＳ２３では、上記ステップＳ２２で検出したセンサ温度Ｔが設定温度Ｔ_０´´に到達したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合にはステップＳ２２に移り、ＹＥＳの場合にはステップＳ２４に移る。

ステップＳ２４では、 センサ素子の温度が設定温度Ｔ_０´´に到達したと判断されたことに応じて、ＰＭの燃焼時間を計測するタイマｔをスタートし、ステップＳ２５に移る。ステップＳ２５では、タイマｔが上記ホールド時間Δｔに達したか否かを判別する。この判別がＮＯの場合にはステップＳ２５に移り、センサ素子の再生を継続する。ステップＳ２５の判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２６に移り、ヒータをオフにし、センサ素子の加熱を終了する。すなわち、センサ素子の温度をホールド時間Δｔに亘り設定温度Ｔ_０´´に維持した後に、ヒータによる加熱を終了する。

本実施形態によれば、上記（１）、（２）に加えて以下の効果を奏する。
（５）本実施形態によれば、センサ素子を再生する際において、センサ素子の温度と加熱する時間を固定することにより、適切な時期にヒータによる加熱を終了し、結果として再生後におけるＰＭ付着量を適切な量にすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、再生手段としてヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａを用いて、センサ素子をＰＭが燃焼する温度まで昇温することにより、センサ素子に付着したＰＭを燃焼除去したが、これに限らない。この他、プラズマ放電を利用してＰＭを除去する技術を再生手段として用いてもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
１２…センサ素子
１２２，１２９…ヒータ層（再生手段）
１３０，１３１…電極板（電極部）
１７…センサ制御ユニット（検出手段、再生手段、粒子状物質検出手段、温度検出手段）
３…ＤＰＦ
４…排気管（排気系）
５…ＥＣＵ（粒子状物質検出装置、再生制御手段、温度検出手段）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気系に設けられた電極部と、
   前記電極部の電気的特性を検出する検出手段と、
   前記電極部に粒子状物質が付着することによる前記電気的特性の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、
   前記電極部に付着した粒子状物質を除去する再生手段と、
   前記再生手段を制御し前記電極部を再生する再生制御手段と、を備える粒子状物質検出装置であって、
   前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が所定量になるように前記電極部を再生し、
   前記所定量は、前記電極部に粒子状物質が付着したときに、前記電気的特性に有意な変化が現れる粒子状物質の付着量であることを特徴とする粒子状物質検出装置。
2. 前記所定量は、前記電極部に粒子状物質が付着したときに、前記電気的特性に有意な変化が現れる粒子状物質の付着量のうち最小量又は当該最小量の近傍に設定されることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
3. 内燃機関の排気系に設けられた電極部と、
   前記電極部の電気的特性を検出する検出手段と、
   前記電極部に粒子状物質が付着することによる前記電気的特性の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、
   前記電極部に付着した粒子状物質を除去する再生手段と、
   前記再生手段を制御し前記電極部を再生する再生制御手段と、を備える粒子状物質検出装置であって、
   前記粒子状物質検出手段の検出可能領域を前記電極部への粒子状物質の付着量に対して設定し、
   前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記検出可能領域内に含まれるように前記電極部を再生することを特徴とする粒子状物質検出装置。
4. 前記再生制御手段は、前記電極部への粒子状物質の付着量が前記検出可能領域内の最小量又は当該最小量の近傍に設定された量になるように前記電極部を再生することを特徴とする請求項３に記載の粒子状物質検出装置。
5. 前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、
   前記再生制御手段は、前記加熱手段による前記電極部の加熱を開始してから、前記電気的特性の検出値が終了判定値になったときに当該加熱手段による加熱を終了することを特徴とする請求項１又は３に記載の粒子状物質検出装置。
6. 前記電極部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、
   前記再生制御手段は、前記加熱手段による前記電極部の加熱を開始してから、当該電極部の温度が終了判定温度に達したときに当該加熱手段による加熱を終了することを特徴とする請求項１又は３に記載の粒子状物質検出装置。
7. 前記電極部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記再生手段は、前記電極部を加熱することで当該電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する加熱手段であり、
   前記再生制御手段は、前記加熱手段により前記電極部をホールド時間に亘り一定の温度に維持した後に、当該加熱手段による加熱を終了することを特徴とする請求項１又は３に記載の粒子状物質検出装置。

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