JP2011128002A

JP2011128002A - Ｐｍセンサ

Info

Publication number: JP2011128002A
Application number: JP2009286574A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Uchiyama; 正内山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: WO2011074667A1; JP5526755B2

Abstract

【課題】正確にＰＭ量を検出することができるＰＭセンサを提供する。
【解決手段】燃焼による排気が流れる雰囲気中に設置された放射器２と、放射器２の初期の固有周波数と同じ周波数で発振して信号を発生する発振回路３と、発振回路３からの信号を放射器２に給電したときの定在波比を検出する定在波比検出回路４と、この定在波比から放射器２に付着したＰＭ量を推定する推定回路５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、正確にＰＭ量を検出することができるＰＭセンサに関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）を設置し、排気ガスに含まれるＳＯＦ、ＳＯＯＴなどの粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を捕集している。ＤＰＦは、主としてセラミックからなるハニカム細孔状（四角い細孔のものでもよい）のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。

ＤＰＦに捕集されたＰＭが多く溜まると、エンジンの排圧が上昇しエンジン特性の低下をきたすため、堆積したＰＭを燃焼により除去する必要がある。この動作をＤＰＦ再生という。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射によって排気温度を上昇させ、ＤＰＦを昇温することで、ＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼させる。

このとき、ＤＰＦにＰＭが溜まりすぎていると、ＤＰＦ再生時の熱でＤＰＦが損傷してしまう。よって、ＤＰＦにＰＭが溜まりすぎないうちにＤＰＦ再生する必要がある。しかし、従来は、正確にＰＭの堆積量を計測できないので、安全係数（マージン）を多く取り、ＰＭの堆積量が実際に許容できる量よりも少ない時期にＤＰＦを再生している。このため、ＤＰＦ再生を実行する時間的な間隔が実際に必要な時間より短くなる。

しかし、必要以上に短い間隔でＤＰＦ再生を実行すると燃料が余分に消費されることになり、燃費が悪化する。したがって、ＤＰＦへのＰＭの堆積量を正確に検出し、堆積量が実際に許容できる量に近づいた最も適切な時期にＤＰＦ再生を行うようにするのが望ましい。

特開２００８−５４７０３２号公報特開２００２−２８５８２２号公報特開２００５−２１４０８４号公報

従来、車両の走行距離が所定値に達するごとにＤＰＦ再生するようにしたのは、ＤＰＦに溜まったＰＭ量（ＰＭロード；フィルタの詰まり具合を表す）を検出するのが困難であるからである。例えば、特許文献３の技術では、ＤＰＦの上流側と下流側の排気ガスの圧力差からＰＭ量を検出している。しかし、排気の流量・温度は、内燃機関の状態変化に伴ってたえず変化しているため、圧力差から検出するＰＭ量は正確でない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、正確にＰＭ量を検出することができるＰＭセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、燃焼による排気が流れる雰囲気中に設置された放射器と、該放射器の初期の固有周波数と同じ周波数で発振して信号を発生する発振回路と、該発振回路からの信号を前記放射器に給電したときの定在波比を検出する定在波比検出回路と、この定在波比から前記放射器に付着したＰＭ量を推定する推定回路とを備えたものである。

前記放射器に付着したＰＭを燃焼させるヒータを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）正確にＰＭ量を検出することができる。

本発明の一実施形態を示すＰＭセンサの構成図である。本発明のＰＭセンサを設置した車両の排気管の構成図である。本発明のＰＭセンサにおけるＰＭ量と定在波比の時間遷移グラフである。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＰＭセンサ１は、燃焼による排気が流れる雰囲気中に設置された放射器２と、放射器２の初期の固有周波数と同じ周波数で発振して信号を発生する発振回路３と、発振回路３からの信号を放射器２に給電したときの定在波比を検出する定在波比検出回路４と、この定在波比から放射器２に付着したＰＭ量を推定する推定回路５とを備える。

本実施形態では、図２に示されるように、内燃機関２１からの排気を排出するマニフォールド側排気管２２にＤＰＦ２３が接続され、そのＤＰＦ２３から大気に至る排気管２４内にＰＭセンサ１の放射器２が設置される。排気管２４は、例えば、円筒形あるいは楕円筒形のものである。

図１に排気管２４内を透視して示されるように、放射器２は、１／４波長の電気長を持つ直線状の２つの放射素子２ａ、２ｂをギャップの両側に互いに反対方向に向けて配置した半波長のダイポールアンテナである。ここでは、２つの放射素子２ａ、２ｂが排気管２４の軸に直交させて配置され、放射素子２ａ、２ｂが排気流を直角に横断して排気流の上流に臨むようになっているが、放射素子２ａ、２ｂは排気管２４の軸と平行であっても、排気管２４の軸と交差する向きであってもよく、放射素子２ａ、２ｂが排気流に対してなす角度は限定されない。

放射器２は、導体線を空中に張ってもよいが、ここでは直方体状のセラミックの基体２ｃに銅箔を印刷、接着等によって設けてなる。

発振回路３は、あらかじめ知られている放射器２の初期の固有周波数と同じ周波数で発振して信号を出力するものであり、公知の技術で実現できるので、詳細は省略する。信号の強度は、排気管２４の外部に不要な電波が漏れ出さない程度とするのが望ましい。発振回路３が出力する信号は、高調波を含まず基本波のみの正弦波であることが望ましい。

定在波比検出回路４は、進行波電力と反射波電力を検出して後述する定義式を演算することで定在波比を求めるものであるが、公知の技術で実現できるので、詳細は省略する。

推定回路５は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）で実現されるデジタル演算回路である。推定回路５は、定在波比から放射器２に付着したＰＭ量を推定した後、その放射器２に付着したＰＭ量からＤＰＦ２３に蓄積したＰＭ量を推定して再生時期を判定するか、あるいは放射器２に付着したＰＭ量から再生時期を判定することができる。これらの判定は、あらかじめ放射器２に付着したＰＭ量とＤＰＦ２３に蓄積したＰＭ量との関係、あるいは放射器２に付着したＰＭ量とＤＰＦ２３の再生時期との関係を実験等により調べて推定回路５に判定ロジックを設定しておくことで実現できる。

以下、本発明のＰＭセンサ１の動作を説明する。

排気管２４内に設置された放射器２に発振回路３からの信号（高周波）を給電する。ここで、放射器２は、半波長のダイポールアンテナであるから、放射器２の固有周波数（固有共振周波数とも言う）ｆは、放射器２のインダクタンスＬと静電容量Ｃとにより、式（１）で表される。

放射器２が給電された信号に完全に共振すると、放射器２に給電された電力は全て進行波となって放射器２から放射され、放射器２から給電側に戻る反射波の電力が０となり、スタンディングウェーブレシオ（定在波比；ＳＷＲ）が１になる。定在波比ＳＷＲは、進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒによる式（２）で表される。

このとき、放射器２のインピーダンスは７５Ωとなる。

ところが、放射器２にＰＭが付着すると放射器２のインダクタンスＬやキャパシタンスＣが変化するため、放射器２の固有周波数ｆが変化し、放射器２のインピーダンスが変化する。放射器２の固有周波数ｆが放射器２にＰＭが付着していないときの初期値ｆ₀から変化すると、発振回路３から周波数ｆ₀の信号を給電された放射器２の定在波比ＳＷＲは、１より大きくなる。言い換えると、放射器２から給電側に戻る反射波の電力（反射波電力Ｐｒ）が０でなくなる。この反射波電力Ｐｒを検出することで、定在波比ＳＷＲが測定できる。よって、反射波電力Ｐｒあるいは定在波比ＳＷＲから放射器２に付着したＰＭ量を推定することができる。なお、反射波電力Ｐｒの検出と定在波比ＳＷＲの測定は同義である。また、放射器２のインピーダンスを求めてもよく、これも定在波比ＳＷＲの測定と同様、公知技術で実施できる。

この原理により、推定回路５は、定在波比検出回路４で求めた定在波比ＳＷＲから放射器２に付着したＰＭ量を推定する。放射器２に付着したＰＭ量と放射器２のインピーダンスは、比例関係にあるので、放射器２のインピーダンスからＰＭ量を推定してもよい。さらに、推定回路５は、推定された放射器２に付着したＰＭ量からＤＰＦ２３に蓄積したＰＭ量を推定して再生時期を判定する。あるいは、推定回路５は、推定された放射器２に付着したＰＭ量に基づいてＤＰＦ２３の再生時期を判定する。

以上説明したように、本発明のＰＭセンサ１は、排気流の雰囲気中に設置した放射器２に所定周波数の信号を給電して電波を放射させ、そのときの定在波比ＳＷＲから放射器２に付着したＰＭ量を推定するようにしたので、正確にＰＭ量を検出することができ、これに基づいてＤＰＦ２３のＰＭ量を検出するようにすれば、従来のような排気ガスの圧力差から推定するのに比べて、正確にＤＰＦ２３のＰＭ量を検出することができる。

また、本発明のＰＭセンサ１は、放射器２と簡単な回路とから構成できるので、従来のように圧力センサを複数設けるものに比べて安価である。

ところで、放射器２にＰＭが付着すると、放射器２の定在波比ＳＷＲが大きくなり、付着したＰＭが大量になると定在波比ＳＷＲが無限大となり、ＰＭ量を正確に検出できなくなるので、適宜な時期に放射器２のＰＭを除去するのが望ましい。そこで、図１に示されるように、本発明のＰＭセンサ１は、放射器２に付着したＰＭを燃焼させるヒータ６を備える。ヒータ６は、放射器２の基体２ｃに設けるとよい。ヒータ６は、基体２ｃの内部、あるいは放射素子２ａ、２ｂの反対面に配置する。

ヒータ６を備えたＰＭセンサ１は、適宜な時期にヒータ６に電流を流して放射器２を加熱し、放射器２に付着しているＰＭを焼いて除去することにより、放射器２の共振周波数を初期値に戻す。これにより、放射器２の定在波比ＳＷＲを常に定在波比検出回路４で正確に検出可能な範囲に保つことができる。

具体的には、推定回路５は、定在波比検出回路４により検出された定在波比ＳＷＲに対して閾値を持っておくか、あるいは放射器２に付着したＰＭ量に対して閾値を持っておく。

図３に示されるように、時間経過に従い放射器２に付着したＰＭ量が０から増加していく。これに伴い定在波比検出回路４が検出する定在波比ＳＷＲも１から増加していく。定在波比ＳＷＲが閾値に達した後、適宜な時期に推定回路５がヒータ６に電流を流す。これにより、ＰＭ量が減少して０に戻り、定在波比ＳＷＲが減少して１に戻る。

なお、定在波比ＳＷＲが閾値に達したとき、内燃機関２１の状態とは無関係に直ちにヒータ６に電流を流して放射器２に付着したＰＭを除去してもよいが、その除去期間中には排気管２４に流れ出てきたＰＭを検出できないので、定在波比ＳＷＲが閾値に達した後、排気管２４にＰＭが来ない条件（例えば、内燃機関２１への燃料供給量の指令値が０のとき）においてヒータ６に電流を流して放射器２に付着したＰＭを除去してもよい。

推定回路５は、放射器２のＰＭを除去する直前までに検出されたＰＭ量を記憶し、この値を除去後に検出されるＰＭ量に累積させるのが好ましい。これにより、放射器２のＰＭを除去する以前から以後にわたるＰＭ量の累積値を知ることができる。これにより、ＤＰＦ２３に再生が必要なＰＭが堆積するスパンより放射器２に除去が必要なＰＭが付着するスパンが短い場合でも、放射器２に付着するＰＭ量の検出を継続することができる。

推定回路５は、この累積値をＤＰＦ再生時にクリアする。これにより、ＤＰＦ再生後におけるＤＰＦ２３から排気管２４に流れ出たＰＭの総量を推定することができる。

本実施形態では、ＰＭセンサ１の放射器２をＤＰＦ２３から大気に至る排気管２４内に設置することで、ＤＰＦ２３から排気管２４に流れ出たＰＭを検出するようにしたが、放射器２をＤＰＦ２３内に設置してもよい。また、放射器２をマニフォールド側排気管２２に設置すると、内燃機関２１が排出するＰＭを検出することができる。

本実施形態では、放射器２を半波長のダイポールアンテナで構成したが、これに限らず放射器２の種類は何でもよく、ＰＭが付着していないとき供給された電力が全て進行波電力Ｐｆとして放射され反射波電力Ｐｒがなく、ＰＭが付着したときそのＰＭ量に応じて反射波電力Ｐｒが生じるものであればよい。

１ＰＭセンサ
２放射器
３発振回路
４定在波比検出回路
５推定回路
６ヒータ

Claims

燃焼による排気が流れる雰囲気中に設置された放射器と、該放射器の初期の固有周波数と同じ周波数で発振して信号を発生する発振回路と、該発振回路からの信号を前記放射器に給電したときの定在波比を検出する定在波比検出回路と、この定在波比から前記放射器に付着したＰＭ量を推定する推定回路とを備えたことを特徴とするＰＭセンサ。
前記放射器に付着したＰＭを燃焼させるヒータを備えたことを特徴とする請求項１記載のＰＭセンサ。