JP2011137445A - 粒子状物質の堆積量検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルターにより捕集した粒子状物質の堆積量を電磁波を用いて検出する方法において、フィルターの各領域における粒子状物質の堆積量の空間分布を計測可能とする。
【解決手段】粒子状物質１２を含む気体から粒子状物質を捕集するフィルター１１、フィルター１１を収容する容器５、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を送信し、フィルター１１の複数の相異なる領域に対して電磁波を照射する複数の送信手段１５Ａ〜１５Ｃ、およびフィルターの複数の領域を透過した後の電磁波をそれぞれ受信する複数の受信手段１６Ａ〜１６Ｃを使用する。複数の受信手段で受信された電磁波の強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の量の空間分布を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、粒子状物質の堆積量検出方法および装置に関するものであり、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置されたフィルターのＰＭ堆積量の検出などに用いることができる。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の有害成分は、ＰＭ（パーティキュレート マター：炭素微粒子からなるスート、高分子量炭化水素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子など）として排出される。最近、環境省が、粒径２．５μｍ以下の微小粒子状物質について環境基準を定めることを検討しており、粒子状物質の規制が厳格となるため、対応が迫られており、ディーゼルエンジン用排ガス浄化装置やＰＭモニター装置などの開発競争が行われている。

ディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ： DPF）が普及している。
DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を交互に目封じしたものである。すなわち、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、排ガス上流側で目詰めされた流出側セルとを設け、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁の細孔で排ガスを濾過し、粒子状物質を捕集する。

しかし、DPFは、粒子状物質が堆積すると、排ガスの圧力損失が上昇するために内燃機関の出力の低下や燃料消費量を抑えるために、堆積した粒子状物質を除去して再生する必要がある。そこで、排ガス中に燃料などの還元剤を添加し、DPF の上流側に配置された酸化触媒で燃焼させることで排ガスを昇温し、その高温の排ガスを
DPFへ供給する方法などによって、堆積したPMを燃焼させ
DPFを強制再生することが行われている。

ただし、フィルター内の粒子状物質の堆積量が、あるフィルター使用限界値を超えて捕集されている状態においてこの再生制御を行うと、PMの燃焼によってフィルターの局所的な温度や全体の温度が上昇しすぎて、フイルターのクラックや溶損が発生する。これを防止するために、フィルターの圧力損失、吸入空気量、排ガス温度、燃料噴射量、EGR開度、エンジン回転数等を測定してECUにて演算処理を行い、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測を行っている。

一方、通常のディーゼルエンジン等の内燃機関では、このフィルター使用限界値に安全率を加味したものを再生制御ポイントとしており、通常
再生制御ポイント（ｇ/L）＝フィルター使用限界値（g/L）×安全係数
ただし安全係数は、０＜安全係数＜1
なので
再生制御ポイント（ｇ/L）<フィルター使用限界値（g/L）
になるように再生制御ポイントを設定している。

この安全係数は、各自動車メーカーで設定がまちまちで、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測技術の完成度やメーカーの安全に関する指針で決定されている。そしてこの安全係数が１に近いほどフィルターの再生頻度が減り、燃費の悪化が減ることになる。そのため、精度よくフィルター内の粒子状物質の堆積量を予測することが求められている。

粒子状物質の堆積量が再生制御ポイントに達したと判定されたときに、排ガス温度を強制的に上昇させてフィルターの再生が行われる。

非特許文献１(ＧＥ発表のAdvanced DPF soot sensor：International CTI Forum 2-4 Dec)には、ＤＰＦ容器の入口と出口にそれぞれＲＦ送信手段と受信手段を設置し、DPFに堆積したスートを検知する方法が記載されている。本センサは１ＧＨｚ以下の周波数を使用しており、測定感度や精度はこの周波数で決まっている。

特許文献１（米国特許第７２６０９３０ Ｂ２）に記載のＰＭ捕集装置では、決められた大きさ、周波数のＲＦ信号発生プローブと、このＲＦ信号を受信する受信プローブとを設け、温度センサにより温度を測定してフィードバックする。

特許文献２（米国特許公開公報第２００８−００５９０９３ Ａ１）に記載のＰＭ捕集装置では、Ｉバンド（１〜２ＧＨｚ）の電磁波を使用し、ＤＰＦフィルターの前後に送信手段、受信手段を設置する。そして、ＤＰＦフィルターを通過した電磁波の共振周波数の変化に基づいて堆積物の量を計測する。この際、電磁波の周波数の変化から堆積分布も計測可能と記載されているが、その原理や詳細は記載されていない。

特許文献３（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの外壁の中心部に送信手段と受信手段とを相対向するように取り付けている。そして、送信手段から数十ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの電磁波を送信し、フィルターに通し、反対側に取り付けられた受信手段で受信し、電磁波の受信強度に基づいてフィルターへの粒子状物質の堆積量を算出する。

なお、本出願人は、特許文献４、５、６、７、８を出願し、ＤＰＦフィルターにおける粒子状物質の捕集量を数十ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの電磁波を用いて計測する方法を開示している。

また、特許文献９（特開２００７−７９４６６）には、薄板構造の電磁波発生素子が開示されている。

米国特許第７２６０９３０ Ｂ２ 米国特許公開公報第２００８−００５９０９３ Ａ１ 特開２００９−２２７６ 特願２００９−７３６８８ 特願２００９−７３９３４ 特願２００９−７４０７６ 特願２００９−７４３５８ 特願２００９−１０３５６１ 特開２００７−７９４６６

ＧＥ発表のAdvanced DPF soot sensor：International CTI Forum 2-4 Dec

特許文献２（米国特許公開公報第２００８−００５９０９３ Ａ１）では、電磁波の周波数の変化から堆積分布も計測可能と記載されているが、その原理や詳細が記載されていないため、堆積分布の計測は実施困難である。

特許文献３（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの容器外壁に送信手段と受信手段とを相対向するように設置し、数十ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの周波数の電磁波を用いてフィルターを横断するように照射することで、フィルター横断面内にある粒子状物質を透過させてその量を測定する。実施例では６００ＧＨｚの電磁波をフィルターを横断するように照射してスート堆積量を推定している。しかし、ＤＰＦフィルターの各領域における堆積量の空間分布を計測する方法は開示されていない。

本発明者は、例えば特許文献３に記載のように、フィルターに対して側面側から、指向性の強いテラヘルツ波を照射して粒子状物質の捕集量を計測する実験を行ってきた。しかし、指向性の強い電磁波を使用して粒子状物質の捕集量を計測しても、粒子状物質の燃焼再生時期を正確に把握できないことがわかってきた。

例えば図３に示すように、フィルター１１の各孔には粒子状物質１２が捕集されている。ここで、各孔における粒子状物質の堆積量は、走行条件や再生条件（堆積量、触媒、再生回数など）によってバラツキの出る傾向がある。例えば、本例ではフィルター周縁部分の堆積量が多くなり、中央部分の堆積量が少なくなっている。こうした場合、全体の堆積量が少なくとも、周縁部分の孔は粒子状物質で充填されていることがある。孔が粒子状物質で充填されている状態でフィルターの稼働を続けると、フィルターが破損するおそれがある。このため、単にフィルター１１全体の堆積量を指向性の良い電磁波で計測しても、フィルターの浄化処理を行うべき時期を正確に把握することができない。
さらに、このような堆積分布を示す場合、中央部分の堆積量が少ないので従来車載装着されている差圧センサ方式では、ＤＰＦ上流側と下流側の差圧が十分得られず、再生時期を把握できない。このため周縁部分で堆積量が必要以上に多くなり、燃焼再生時に高温になりフィルターのクラックや溶損が発生する頻度が高くなる。

本発明の課題は、フィルターにより捕集した粒子状物質の堆積量を電磁波を用いて検出する方法において、フィルターの各領域における粒子状物質の堆積量の空間分布を計測可能とすることである。

本発明は、
粒子状物質を含む気体から前記粒子状物質を捕集するフィルター、
このフィルターを収容する容器、
３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を送信し、フィルターの複数の相異なる領域に対して電磁波を照射する複数の送信手段、および
前記フィルターの複数の領域を透過した後の前記電磁波をそれぞれ受信する複数の受信手段を使用し、
複数の受信手段で受信された電磁波の強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の量の堆積分布を検出する。

本発明によれば、フィルターに照射する電磁波の周波数を３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下とする。この領域の電磁波は、指向性が強く、平行光としてコリメートすることができる。

本発明者は、このような指向性に着目し、フィルターの相異なる領域に対応して、それぞれ送信手段と受信手段とを設け、各領域にそれぞれ前記電磁波を互いに干渉しないように照射する。そして、各電磁波について受信手段により受信強度を得ることによって、フィルター内における粒子状物質の堆積量の空間分布を計測することに成功した。

従来、このような堆積量の空間分布の非破壊的な計測は行われておらず、この点で本発明の産業上の意義は大きい。

本発明に係る粒子状物質の堆積量の検出装置を模式的に示すブロック図である。 本発明に係る装置のフィルターおよび容器の周辺を拡大して示す断面図である。 図２のフィルターの模式的断面図である。 他の実施形態に係る装置のフィルターおよび容器の周辺を拡大して示す断面図である。 更に他の実施形態に係る装置のフィルターおよび容器の周辺を拡大して示す断面図である。 実験例でのスート堆積量と透過率との関係を示す検量線である。

送信素子は限定されないが、以下のものが好ましい。
（周波数３０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ）
ＧａＡｓやＳｉＧｅなどのＭＭＩＣやガンダイオード。

（３０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）
ＬＮ変調器により高次の光側帯波を発生させ所望の次数の側帯波を取り出し、フォトミキサによりそのビート信号を取り出すことにより上記電磁波を発生する光逓倍方式。この場合、ＬＮ変調器はマッハツェンダー型光変調器や位相変調器、またはこれらの集積型変調器が使用可能である。ＬＮ変調器は、特に限定はないが、特許文献９（特開２００７−７９４６６）記載の薄板構造を用いることにより半波長電圧を低減でき、低駆動電圧で電磁波を発生できる。

さらに、ドメイン反転構造（QPM：Quasi-Phase-Matching）を形成したＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子やＰＰＬＴ（Periodically
Poled Lithium Tantalate）素子、または、角度位相整合やチェレンコフ放射を利用した光導波路（スラブ構造を含む）素子が使用できる。

受信素子は限定されないが、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＮなどのショットキーダイオード、ボロメータ、焦電効果を利用した素子を例示できる。

粒子状物質とは、気体中に浮遊する性質を持つ物質であればよく、粒径は限定されないが、典型的には１０ｎｍ〜１０μｍである。粒子状物質を構成する物質は特に制限はなく、カーボンを主とするＰＭ（パティキュレート マター）、ハイドロカーボン（HC）、フェライト粉などの磁性体粉末、硫酸塩、硝酸塩を例示できる。

本発明では、フィルターの複数の相異なる領域に対して電磁波を照射する複数の送信手段を用いる。各送信手段から互いに独立して電磁波を照射する。この際、各送信手段から照射させる電磁波をそれぞれコリメートすることによって、互いに干渉しないようにすることが好ましい。このコリメートの方法は、例えばレンズや光学系によって行う。各電磁波によって照射される領域は、互いに重なり合わないことが好ましい。

好適な実施形態においては、複数の送信手段から送信される各電磁波の周波数を互いに異ならせる。これによって、各領域に照射された電磁波の担う情報を周波数ごとに分離して処理することができるので、電磁波の干渉によって堆積量の計測値が狂うことを防止できる。

この実施形態においては、電磁波の干渉による測定誤差を防止するという観点からは、各電磁波の周波数の差は、３０ＧＨｚ以上とすることが好ましく、８０ＧＨｚ以上とすることが更に好ましい。

また、好適な実施形態においては、複数の送信手段から各電磁波を時分割で切り換えて発信する。これは、同じ時間帯に複数の送信手段から同時に電磁波が発信されないようにすることを意味する。これによって、各電磁波の干渉による測定誤差を防止できる。

送信手段、受信手段は、上流側配管、下流側配管内に設けることができる。 具体的には、送信手段を上流側配管内に設け、受信手段を下流側配管内に設けることができる。あるいは、送信手段を下流側配管内に設け、受信手段を上流側配管内に設けることができる。

また、好適な実施形態においては、送信手段、受信手段を、フィルターの側面側に設ける。この際、フィルターを挟んで送信手段と受信手段とが対向する位置に設けることが好ましい。また、送信手段、受信手段は、フィルターを収容する容器の内側に設けて良いが、容器の外側に設けることが好ましい。この場合には、電磁波を透過する窓を容器に設け、窓の外側に送信手段、受信手段を設置する。

フィルターは、粒子状物質を含む気体が流通する容器中に配置されるものである。このフィルターは、本発明で用いる電磁波を透過するものでその透過率が小さいものほどよい。フィルターの形態としては、ハニカム構造体、多孔構造体を例示でき、ハニカム構造体が特に好ましい。また、フィルターの材質は、コージェライト、窒化ケイ素、アルミナ、炭化珪素などのセラミックスが好ましい。

配管の内径は限定されないが、通常は１０〜３００ｍｍであることが多い。また、容器の内径（最大値）は、２０ｍｍ以上であることが好ましく、１０００ｍｍ以下であることが好ましい。

容器は、フィルターを収容する収容部、上流側連結部、下流側連結部を備えていることが好ましい。この場合には、収容部の内径が配管の内径よりも大きい。また、上流側連結部の内径は、収容部から上流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。また、下流側連結部の内径は、収容部から下流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。

本発明では、受信手段で受信した電磁波の強度を検出し、この強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量を演算する。この具体的方法は限定されないが、好ましくは、予め決められた強度と堆積量との関係式に対して、電磁波受信手段で検出された電磁波強度を代入し、粒子状物質の堆積量を演算する。

フィルターそれ自体が電磁波をある程度吸収することから、ブランクとして、粒子状物質が捕集されていない状態で受信強度を測定しておく。そして、粒子状物質が捕集された状態における受信強度との差および電磁波吸収係数から、粒子状物質の堆積量を算出する。

なお、電磁波吸収係数は、電磁波透過率の対数で表され、透過率は、受信強度の送信強度に対する割合である。

本発明では、排ガス浄化装置に、フィルターの上流側で排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段をさらに備えることが好ましい。このとき、排ガス中に還元剤を直接的に供給してよく、気筒内に還元剤をポスト噴射することで排ガス中に還元剤を間接的に供給することもできる。フィルターの温度が還元剤の発火温度より高くなっていれば、還元剤がフィルター内で燃焼し、燃焼熱によってフィルターが例えば 600℃以上の高温となることで、フィルターを再生することができる。還元剤供給手段としては、ポンプ、インジェクタなどがある。フィルターの上流側に酸化触媒を配置したり、フィルターに触媒層を形成することもできる。

還元剤供給手段を用いた場合には、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量の検出値に基づいて還元剤供給手段の駆動を制御する、制御手段を設けることが望ましい。これにより最適なタイミングで還元剤供給手段を駆動できるので、燃費が向上する。

図１に排ガス浄化装置を模式的に示す。ディーゼルエンジン１の排気マニホールドの排出管２が上流側配管３を介して容器５に連結されている。容器５の下流側に下流側配管４が設けられている。図２に示すように、容器５は、フィルターを収容する内径一定の収容部５ｂ、上流側連結部５ａおよび下流側連結部５ｃを備えている。

容器５の収容部５ｂ内には、酸化触媒１０、フィルター１１が収容されている。フィルター１１は、多数の細孔が規則的に形成された多孔質セラミックスのハニカム構造体である。この細孔の一部は排ガス下流側で目詰めされ、流入側セルを形成しており，残りは、排ガス上流側で目詰めされ、流出側セルを形成している。流入側セルと流出側セルとは交互に隣接するように形成されており、これによってハニカム形状のウォールフロー構造をなしている。

容器１の側面側には複数の送信手段１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃが設けられており、ライン６を介して、制御部８の送信制御部８ａと連結されている。複数の送信手段は、上流から下流に向かって配列されている。また、容器１の側面側には複数の受信手段１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが設けられており、ライン７を介して、制御部８の受信制御部８ｂと連結されている。複数の受信手段は、上流から下流に向かって配列されている。各送信手段は、対応する各受信手段と、フィルターを挟んで対向する位置に設けられている。

エンジン１からの排ガスは、上流側配管３を矢印Ａのように通過し、容器５内に入り、まず酸化触媒１０を通過する。次いで、排ガスは、フィルター１１を通過して下流側配管４の流路内を流れ、矢印Ｂのように排出される。フィルター１１内には粒子状物質が捕集され、堆積する。

ここで、例えば図３に示すように、各孔における粒子状物質１２の堆積量にはバラツキの出る傾向がある。例えば、フィルター周縁部分の捕堆積量が多くなり、中央部分の堆積量が少なくなっている。

このため、本発明では、制御装置８の送信制御部８ａからの信号Ｄによって、各送信手段１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃからそれぞれ電磁波を送信する。ここで、隣接する送信手段から送信される各電磁波は互いに干渉しにくいように、それぞれコリメートする。好適な実施形態においては、各電磁波の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を互いに異ならせる。また、図２に示すように、各電磁波を時分割によって送信することが好ましい。

この場合、各送信手段には特定の周波数のみを透過するバンドパスフィルターを有しており、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃはそれぞれ周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のみを送信することができる。各送信手段から送信された各電磁波は、フィルター１１を横断し、フィルター材質および粒子状物質１２による吸収減衰を受け、対応する各受信手段１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃで受信される。

各受信手段からの各受信信号ｆ１、ｆ２、ｆ３を、配線７を介して矢印Ｅのように制御部８の受信制御部８ｂに送り、処理する。そして、矢印Ｇのように、各送信電磁波の情報と各受信電磁波の情報とを演算装置９に送信する。演算装置９では、送信電磁波の情報、例えば強度を、受信電磁波の情報，例えば強度と比較すると共に、電磁波強度と堆積量との関係を示す検量線の情報を参照し、堆積量を演算する。

得られた堆積量の演算結果を矢印Ｈのように出力することで利用可能とする。例えば、堆積量がしきい値を超えた時点でフィルター１１を再生燃焼したり、交換の信号を出すことができる。

ここで、図３に示す粒子状物質１２の分布から、電磁波ｆ１は粒子状物質による減衰量が相対的に少なくなり、電磁波ｆ３は粒子状物質による減衰量が相対的に多くなる。従って、各電磁波ｆ１、ｆ２、ｆ３の受信情報を演算することによって、フィルター１１の各領域における各堆積量を知ることができる。本例では、フィルター１１の上流側領域、中流側領域、下流側領域における各堆積量を知ることができる。

好適な実施形態においては、主導波管と、この主導波管に接続された複数の送信側導波管とを備えており、各送信側導波管に各送信手段が設けられており、主導波管に互いに周波数の異なる複数種の電磁波を時分割で伝搬させる。各送信側導波管においては、複数の電磁波の中から選択して導波させ、送信手段から送信する。この形態によれば、複雑なシステムを必要とすることなく、導波管を利用してフィルターの堆積量の空間分布を測定できる。

各送信側導波管において電磁波の周波数を選択するには、例えば導波管の半径を調製することによってカットオフ周波数を選択し、このカットオフ周波数から外れた周波数の電磁波をカットし、それ以外の周波数を導波させればよい。

図４、図５は本実施形態に係るものである。
図４に模式的に示すシステムを用いて、粒子状物質の堆積量の空間分布を測定した。ただし、容器５の側面側には複数の導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられており、各導波管が主導波管６Ａに連結されている。各導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、フィルターの上流から下流に向かって配列されている。また、容器５の側面側には複数の導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられており、各導波管が主導波管７Ａに連結されている。各導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、フィルターの上流から下流に向かって配列されている。各導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、受信側の各導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃと、フィルターを挟んで対向する位置に設けられている。

エンジン１からの排ガスは、上流側配管３を矢印Ａのように通過し、容器５内に入り、まず酸化触媒１０を通過する。次いで、排ガスは、フィルター１１を通過して下流側配管４の流路内を流れ、矢印Ｂのように排出される。フィルター１１内には粒子状物質が捕集され、堆積する。

本例では、
使用する電磁波の周波数は、ｆ１、ｆ２、ｆ３をそれぞれ１６０ＧＨｚ、１４５ＧＨｚ、１３０ＧＨｚとした。また、送信手段側で、1分間隔で周波数を切り換えて発生する機構としている（時分割）。
線路は中空の円筒導波管２５Ａ〜２５Ｃとし、TE11モードで伝搬させた。線路はＤＰＦ缶体部導入前で３分岐している。

導波管２５Ａの半径は０．５６ｍｍとした。TE11モードに対してカットオフ周波数が１５７GHｚとなることから、ｆ１のみが伝搬できる。導波管２５Ｂの半径を０．６３ｍｍとすると、同カットオフ周波数は１３９ＧＨｚとなることから、ｆ１とｆ２が伝搬できる。さらに導波管２５Ｃを、分岐前の線路と同じで半径０．７ｍｍとすると、同カットオフ周波数が１２５ＧＨｚとなることから、ｆ１、ｆ２、ｆ３すべての周波数が伝搬できるようになる。また、導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの端部（送信手段）３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃにそれぞれコリメートレンズを取り付け、電磁波が広がらないようにしている。

ＤＰＦ缶体５には、電磁波が容器５を透過できるように窓構造としている。窓材は、テラヘルツ波に対して透過率が高いものが好ましく、耐熱ガラスがよい。

前記したように
、時分割で周波数を換えることにより、相異なる領域の堆積量を測定できる。例えば、以下のようにしてフィルターの各領域の堆積量を順次測定する。
（１） まず電磁波
ｆ３のみを主導波管６Ａから発生させると、電磁波ｆ３は、導波管２５Ｃの先端の送信手段３０Ｃから送信されるので、フィルターの下流側における堆積量（ａ）を測定できる。
（２） 次いで、電磁波ｆ２を発生させると、導波管２５Ｂ、２５Ｃの先端の送信手段３０Ｂ、３０Ｃから電磁波が送信されるので、フィルターの中流および下流側における堆積量の合計値（ａ＋ｂ）を測定できる。この合計値（ａ＋ｂ）から前述の下流側の堆積量（ａ）を差し引くことによって、フィルターの中流側における堆積量（ｂ）を算出する。
（３） 次いで、電磁波ｆ１を発生させると、導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの先端の送信手段３０Ａ〜３０Ｃから電磁波が送信されるので、フィルターの上流、中流、下流側における堆積量の合計値（ａ＋ｂ＋ｃ）を測定できる。この合計値（ａ＋ｂ＋ｃ）から前述の堆積量（ａ＋ｂ）を差し引くことによって、フィルターの上流側における堆積量（ｃ）を算出する。

図５に模式的に示すシステムを用いて、粒子状物質の堆積量の空間分布を測定した。ただし、容器１内において、フィルター１１の上流には、複数の導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられており、各導波管が主導波管６Ａに連結されている。各導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、フィルターの上流側端面に対向して配列されている。

また、容器１の下流には複数の導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられており、各導波管が主導波管７Ａに連結されている。各導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、フィルターの下流側端面に対向するように配置されている。各導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、受信側の各導波管２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃと、フィルターを挟んで対向する位置に設けられている。

エンジン１からの排ガスは、上流側配管３を矢印Ａのように通過し、容器５内に入り、まず酸化触媒１０を通過する。次いで、排ガスは、フィルター１１を通過して下流側配管４の流路内を流れ、矢印Ｂのように排出される。フィルター１１内には粒子状物質が捕集され、堆積する。

本例では、
使用する電磁波の周波数は、ｆ１、ｆ２、ｆ３をそれぞれ１６０ＧＨｚ、１４５ＧＨｚ、１３０ＧＨｚとした。また、送信手段側で、1分間隔で周波数を切り換えて発生する機構としている。
線路は中空の円筒導波管とし、TE11モードで伝搬させた。線路はＤＰＦ缶体部導入前で３分岐している。

導波管２５Ａの半径は０．５６ｍｍとした。TE11モードに対してカットオフ周波数が１５７ＧＨｚとなることから、ｆ１のみが伝搬できる。導波管２５Ｂの半径を０．６３ｍｍとすると、同カットオフ周波数は１３９ＧＨｚとなることから、ｆ１とｆ２が伝搬できる。さらに導波管２５Ｃを、分岐前の線路と同じで半径０．７ｍｍとすると、同カットオフ周波数が１２５ＧＨｚとなることから、ｆ１、ｆ２、ｆ３すべての周波数が伝搬できるようになる。また、導波管５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの端部（送信手段）３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃにそれぞれコリメートレンズを取り付け、電磁波が広がらないようにしている。

前記したように
、時分割で周波数を換えることにより、相異なる領域の堆積量を測定できる。例えば、以下のようにしてフィルターの各領域の堆積量を順次測定する。
（１） まず電磁波
ｆ３のみを主導波管６Ａから発生させると、電磁波ｆ３は、導波管２５Ｂの先端の送信手段３０Ｂから送信されるので、フィルター１１の中央部分における堆積量（ａ）を測定できる。
（２） 次いで、電磁波ｆ２を発生させると、導波管２５Ｂ、２５Ｃの先端の送信手段３０Ｂ、３０Ｃから電磁波が送信されるので、フィルターの中央部分および下端部における堆積量の合計値（ａ＋ｂ）を測定できる。この合計値（ａ＋ｂ）から前述の下流側の堆積量（ａ）を差し引くことによって、フィルターの下端部側における堆積量（ｂ）を算出する。
（３） 次いで、電磁波ｆ１を発生させると、導波管２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの先端の送信手段３０Ａ〜３０Ｃから電磁波が送信されるので、フィルターの上端部、中央部分、下端部における堆積量の合計値（ａ＋ｂ＋ｃ）を測定できる。この合計値（ａ＋ｂ＋ｃ）から前述の堆積量（ａ＋ｂ）を差し引くことによって、フィルターの上端部側における堆積量（ｃ）を算出する。

（実験１）
図３の構成において計測を実施した。直径１４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのコージェライトＤＰＦに、図３のようにスートを堆積させた。

ＤＰＦ５の上流端から３ｃｍのところに上流側の送信手段１５Ａ、受信手段１６Ａを配置し、上流端から８ｃｍのところに中流側の送信手段１５Ｂ、受信手段１６Ｂを配置し、上流端から１３ｃｍのところに下流側の送信手段１５Ｃ、受信手段１６Ｃを配置した。送信手段と受信手段とを、電磁波がＤＰＦの中心部を通るように対向させた。各送信手段、受信手段は、直径１０ｍｍの領域を計測できるように、電磁波をコリメートして送信している。

電磁波の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を、それぞれ、１６０ＧＨｚ、１４５ＧＨｚ、１３０ＧＨｚとし、１分間隔で時分割して電磁波を送信した。線路の分岐後には、それぞれ各電磁波のみを透過するためのバンドフィルタが設置されている。

堆積量を算出するため演算は下記のように実施した。まず、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対する堆積量と吸収量の関係は、図６のようになり、このデータを検量線として利用する。まず、周波数ｆ１（１６０ＧＨｚ）を上流側に照射してその透過パワーを測定したところ、−７ｄＢであった。次に、周波数ｆ２（１４５ＧＨｚ）を中流側に照射してその透過率を測定したところ、−１４ｄＢであった。さらに、周波数ｆ１（１３０ＧＨｚ）を下流側に照射してその透過率を測定したところ、−３０ｄＢであった。以上の結果を、検量線データに基づき堆積量を求めると、上流側１ｇ／Ｌ、中流側２ｇ／Ｌ、下流側４ｇ／Ｌとなり、実際の堆積量と同一の結果となった。

計測したＤＰＦのスート堆積量については、計測後に破壊試験により実測した。電磁波計測した上流部、中流部、下流部をそれぞれ輪切りに切断し、外観検査を実施したところ図３に示すスート分布になっていることが確認できた。また、各部分のスート堆積量については、大気雰囲気中で600℃で燃焼し、その前後の重量差と体積から見積もった。この結果、スート堆積量は、上流側で１ｇ／Ｌ、中流側で２ｇ／Ｌ、下流側で４ｇ／Ｌとなっていた。

（実験２）
図４の構成での計測結果を示す。
実験例１と同様に、直径１４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのコージェライトＤＰＦ５に、図４のようにスートを堆積させた。堆積量は上流側で１ｇ／Ｌ、中流側で２ｇ／Ｌ、下流側で４ｇ／Ｌとなっていた。送信手段と受信手段はそれぞれ３分岐した。すなわち、ＤＰＦ５の上流端から３ｃｍのところに上流側送信手段２５Ａ、受信手段２６Ａを配置し、上流端から８ｃｍのところに中流側送信手段２５Ｂ、受信手段２６Ｂを配置し、上流端から１３ｃｍのところに下流側送信手段２５Ｃ、受信手段２６Ｃを配置した。各送信手段と受信手段とを、電磁波がＤＰＦの中心部を通るように対向させた。各部分においては、直径１０ｍｍの領域を計測できるように電磁波をコリメートして送信している。

電磁波の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を、それぞれ、１６０ＧＨｚ、１４５ＧＨｚ、１３０ＧＨｚとし、１分間隔で時分割して電磁波を送信した。線路の分岐後には、（００６１）に記載したように、導波管の半径を変えＴＥ１１モードのカットオフ周波数を利用したローパスフィルタを構成している。

堆積量を算出するため、図６に示す堆積量と吸収量の関係を検量線として堆積量を計測する。まず、周波数ｆ３（１３０ＧＨｚ）を下流側に照射してその透過率を測定したところ、−３０ｄＢであった。次に、周波数ｆ２（１４５ＧＨｚ）を照射してその透過率を測定したところP2o/P2i＝−１６．９ｄＢ（２％）であった。この場合、電磁波は中流部と下流部に同時に照射される。分岐部では中流部と下流部で均一に分波されるので透過率入力手段に供給される電磁波パワーＰ2ｉと受信手段で観測される電磁波パワーP2oの関係は、下式ように表すことができる。Ｂ2は中流部での透過率、ｃ2は下流部での透過率を表す。

1/2×P2i×ｂ2＋1/2×Pi×c2＝P2ｏ （１）

さらに、周波数ｆ１（１３０ＧＨｚ）を照射してその透過率を測定したところ、P3o/P3i＝−７ｄＢ（１９．９５％）であった。この場合、電磁波は上流部、中流部と下流部に同時に照射される。透過率入力手段に供給される電磁波パワーＰｉと受信手段で観測される電磁波パワーの関係は、下式のように表すことができる。a3は上流部での透過率、ｂ3は中流部での透過率を表す。

1/3×P3i×a3＋1/3×P3i×b3＋1/3×P3i×c3＝P3ｏ （２）

以上の結果から検量線データに基づき堆積量を求める。まず、周波数ｆ３の計測結果から、下流部の堆積量は、図６の検量線データによって４ｇ／Ｌとなる。
次に、中流部は（１）式から求めることができる。（１）式を変形すると中流部の透過率b2は、（３）式になる。

b2=2×P2o/P2i-a2 （３）

ここで、a2は下流側の堆積量に係わる透過率で、周波数１４５ＧＨｚの検量線データから堆積量４ｇ／Ｌでは−２８ｄＢ（0.16％）となる。したがって、b2は、−１４ｄB（３．９％）と見積もることができる。さらに、上流部は（２）式から求めることができる。
（２）式を変形すると、上流部の透過率c3は、（４）式のようになる

c3=3×P3o/P3i-a3-b3 （４）

ここで、a3は下流側の堆積量に係わる透過率で、周波数１３０ＧＨｚの検量線データから堆積量４ｇ／Ｌでは−２６ｄＢ（0.％）となる。b3は中流側の堆積量に係わる透過率で、周波数１３０ＧＨｚの検量線データから堆積量２ｇ／Ｌでは−１３ｄＢ（0.％）となる。したがって、c3は、−１ｄB（７９％）と見積もることができる。

以上のことから、下流側４ｇ／Ｌ、中流側２ｇ／Ｌ、上流側１ｇ／Ｌとなり、実際の堆積量と同一の結果となった。
なお、スート堆積量については、実験１と同様の方法にて外観検査と堆積量を観察し、同様の結果になっていることを確認した。

なお、本計測方法は、スート堆積量、周波数に依存することなしに計測することができ、また図５の構成においても堆積分布を正確に計測できることを確認した。

１ エンジン ３ 上流側配管 ４ 下流側配管 ５ 容器 ５ａ 上流側連結部 ５ｂ 収容部 ５ｃ 下流側連結部 ６Ａ 主導波管 ８ 制御部 ９ 演算部 １０ 酸化触媒 １１ フィルター １２ 粒子状物質 １５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 送信手段 １６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ 受信手段 ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ 送信側導波管 ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ 受信側導波管 ｆ１、ｆ２、ｆ３ 電磁波

Claims (10)

1. 粒子状物質を含む気体から前記粒子状物質を捕集するフィルター、
   このフィルターを収容する容器、
   ３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を送信し、前記フィルターの複数の相異なる領域に対して前記電磁波を照射する複数の送信手段、および
   前記フィルターの前記複数の領域を透過した後の前記電磁波をそれぞれ受信する複数の受信手段を使用し、
   前記複数の受信手段で受信された前記電磁波の強度に基づいて、前記フィルターに捕集された前記粒子状物質の量の堆積分布を検出することを特徴とする、粒子状物質の堆積量検出方法。
2. 複数の前記送信手段から送信される前記電磁波の周波数が互いに異なっていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 複数の前記送信手段から前記各電磁波を時分割で切り換えて発信することを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 主導波管と、この主導波管に接続された複数の送信側導波管とを備えており、前記各送信側導波管に前記各送信手段が設けられており、前記主導波管に互いに周波数の異なる複数種の前記電磁波を時分割で切り換えて伝搬させ、前記各送信側導波管において前記複数種の電磁波の中から選択して導波させ、前記送信手段から送信することを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記送信手段および前記受信手段が前記フィルターの側面側に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
6. 粒子状物質を含む気体から前記粒子状物質を捕集するフィルター、
   このフィルターを収容する容器、
   ３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を送信し、前記フィルターの複数の相異なる領域に対して前記電磁波を照射する複数の送信手段、および
   前記フィルターの前記複数の領域を透過した後の前記電磁波をそれぞれ受信する複数の受信手段を使用し、
   前記複数の受信手段で受信された前記電磁波の強度に基づいて、前記フィルターに捕集された前記粒子状物質の量の堆積分布を検出することを特徴とする、粒子状物質の堆積量検出装置。
7. 複数の前記送信手段から送信される前記電磁波の周波数が互いに異なっていることを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 複数の前記送信手段から前記各電磁波を時分割で切り換えて発信することを特徴とする、請求項７記載の装置。
9. 主導波管と、この主導波管に接続された複数の送信側導波管とを備えており、前記各送信側導波管に前記各送信手段が設けられており、前記主導波管に互いに周波数の異なる複数種の前記電磁波を時分割で切り換えて伝搬させ、前記各送信側導波管において前記複数種の電磁波の中から選択して導波させ、前記送信手段から送信することを特徴とする、請求項６記載の装置。
10. 前記送信手段および前記受信手段が前記フィルターの側面側に配置されていることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一つの請求項に記載の方法。

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