JP2014055822A

JP2014055822A - 粒子センサ

Info

Publication number: JP2014055822A
Application number: JP2012200130A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawada; 吉弘川田; Satoshi Sato; 聡佐藤; Akira Mizuno; 彰水野
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: JP5965261B2

Abstract

【課題】時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出し且つＰＭの堆積による悪影響を受けずに正確な測定を長期間に亘り継続し得る粒子センサを提供する。
【解決手段】排気管１の途中に排気ガス２の流れを横切るように挿入され且つ該排気ガス２の流れの向きに並ばないように互いに平行を成して対向配置された円柱形状の一対の電極３，４と、その一方を高電圧電極とし且つ他方を接地電極として両電極３，４間に部分放電が発生するよう矩形波の交流高電圧を印加するパルス高電圧発生手段１１と、該パルス高電圧発生手段１１により両電極３，４間に交流高電圧を印加するための電気回路の途中に介装されたコンデンサ１０と、該コンデンサ１０の端子電圧を測定する電圧測定器１２（電圧測定手段）と、該電圧測定器１２により測定された電圧値をＰＭ濃度に換算する制御装置１３（演算手段）とを備えて粒子センサとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子センサに関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤分と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

一方、近年においては、車両の排ガス対策システムにおける故障発生の有無を監視し、故障発生時には警告灯等を点灯させて運転者に故障の発生を報知すると共に、故障内容を記録しておく車載式故障診断装置（オンボードダイアグノーシス：onboard diagnosis:略称ＯＢＤ）の装備が各国で義務付けられており、パティキュレートフィルタの出側で排気ガス中のＰＭ濃度を検出してパティキュレートフィルタに性能不良が生じていないかどうかを監視し得るようにすることが研究されているが、本発明者らは、パティキュレートフィルタの入側でも排気ガス中のＰＭ濃度を検出してエンジン状態を監視し得るようにすることを検討するに到った。

尚、本発明に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１、２等がある。

実開昭６４−５０３５５号公報特開２００７−３２７９３６号公報

しかしながら、現状においては、実験用の測定器として、ＰＭの粒子数（量）を重量、電荷量、光透過（光散乱）等の物理量を検出して濃度とするものが既に存在しているものの、これらは所定量のサンプルを採取してバッチ式に測定を行う形式のものばかりであり、時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出することが可能な車載の粒子センサとして供し得るようなものではなかった。

このため、時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出することが可能な車載の粒子センサの開発が望まれており、先の特許文献１、２等といった粒子センサの提案も成されてはいるが、ＰＭを多く含む排気ガスの流れに晒されながら前記ＰＭの堆積による悪影響を受けずに正確な測定を長期間に亘り継続できる粒子センサは未だ実用化に到っていないのが実情である。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出し且つＰＭの堆積による悪影響を受けずに正確な測定を長期間に亘り継続し得る粒子センサを提供することを目的とする。

本発明は、排気管を流れる排気ガス中に含まれるＰＭの濃度を検出する粒子センサであって、排気管の途中に排気ガスの流れを横切るように挿入され且つ該排気ガスの流れの向きに並ばないように互いに平行を成して対向配置された円柱形状の一対の電極と、該電極の一方を高電圧電極とし且つ他方を接地電極として両電極間に部分放電が発生するよう矩形波の交流高電圧を印加するパルス高電圧発生手段と、該パルス高電圧発生手段により両電極間に交流高電圧を印加するための電気回路中に介装されたコンデンサと、該コンデンサの端子電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段により測定された電圧値をＰＭ濃度に換算する演算手段とを備えたことを特徴とするものである。

このようにした場合、パルス高電圧発生手段により両電極間に矩形波の交流高電圧を印加すると、該電極間に部分放電が発生してＰＭが帯電し、その帯電したＰＭが電極の夫々に付着することになるが、このＰＭの付着により電極間のギャップが縮まり且つ相互の対向面の表面積が増える結果、部分放電や漏れ電流により電極間の空間や壁面を移動する電荷が増えることでコンデンサに蓄積される電荷量が増加する一方、両電極から成るセンサー部分の静電容量が増えることでもコンデンサに蓄積される電荷量が増加し、斯かる電荷量の増加に伴いコンデンサの端子電圧が上昇するので、その電圧値を電圧測定手段により測定して演算手段で換算することでＰＭ濃度を検出することが可能となる。

更に、コンデンサに蓄積された電荷は、矩形波の交流高電圧の印加により電界の極性が反転して起こるコンデンサの放電によりリセットされる形となり、また、各電極に付着していたＰＭについても、前記電界の極性の反転により電極側と同じ電荷となって反発することで剥離し、排気ガスの流れによりＰＭが吹き飛ばされてリセットされる形となり、その後で新たな電界により帯電したＰＭが付着し始めることになる。

ここで、前記各電極は排気ガスの流れに対し平面を持たない円柱形状となっており、しかも、排気管の途中に排気ガスの流れを横切るように挿入され且つ排気ガスの流れの向きに並ばないように対向配置されているので、特に前記各電極の対向面は、排気ガスが接線方向に近い向きから強く吹き付けてＰＭが留まり難い環境が作り出され、電界の極性の反転に伴うＰＭの分離除去が確実に行われることになる。

尚、パルス高電圧発生手段により交流高電圧の矩形波の周波数を下げて一周期当たりのコンデンサの充電時間を長くすれば、排気ガス中に含まれるＰＭの濃度が低い場合にも各電極へのＰＭの付着量を有意差がある量としてＰＭ濃度の検出を実現することが可能となる。

また、本発明においては、排気管内の排気ガスの温度を検出する温度センサを更に備え、該温度センサに測定された排気温度に基づき演算手段で算出したＰＭ濃度に温度補正をかけ且つ所定の下限温度以上でのみＰＭ濃度の検出を実施し得るよう構成することが好ましい。

このようにすれば、排気温度による電圧値の変動を加味して、より精度の高いＰＭ濃度を求めることが可能となり、しかも、所定の下限温度を下まわるような排気温度の低い結露環境下での不正確な検出を回避することが可能となる。

更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、一対の電極のうちの一方をワイヤで構成し且つ他方を前記ワイヤを支持するためのサポート材を兼ねたロッドで構成することが好ましく、このようにすれば、サポート材を別途設置する必要がなくなって製作が容易となり、サポート材が不要となる分だけ排気ガスの流れに対する圧力損失も少なくて済む。

上記した本発明の粒子センサによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、電極の形状と配置を工夫し且つ該各電極に矩形波の交流高電圧をパルス高電圧発生手段で印加することでＰＭの付着と剥離を確実に行わしめて、時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出することができ、しかも、ＰＭの堆積による悪影響を受けずに正確な測定を長期間に亘り継続することができ、更には、パルス高電圧発生手段で交流高電圧の矩形波の周波数を下げて一周期当たりのコンデンサの充電時間を長くすることにより、排気ガス中に含まれるＰＭの濃度が低い場合であっても、各電極へのＰＭの付着量を有意差がある量としてＰＭ濃度の検出を実現することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気温度による電圧値の変動を加味した精度の高いＰＭ濃度を求めることができると共に、所定の下限温度を下まわるような排気温度の低い結露環境下での不正確な検出を回避することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、サポート材を不要として製作を容易化することができ、しかも、サポート材が不要となる分だけ排気ガスの流れに対する圧力損失を低減することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１のＩＩ−ＩＩ方向の矢視図である。図２の要部を拡大して示す断面図である。本形態例の粒子センサの電気回路図である。両電極への印加電圧と電圧測定器の検出電圧を示すグラフである。ＰＭの付着と剥離の様子を模式的に示す説明図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はエンジンからの排気ガス２が流れる排気管を示しており、排気管１の途中に排気ガス２の流れを横切るように一対の電極３，４が挿入されているが、ここに図示している例では、一対の電極３，４のうちの一方を直径約０．２ｍｍ程度のステンレス製のワイヤで構成し且つ他方を前記ワイヤを支持するためのサポート材を兼ねた直径約５ｍｍ程度のステンレス製のロッドで構成している。

ここで、前記各電極３，４は、互いに平行を成して対向配置された円柱形状を成すようになっており、一対のワイヤで構成することも可能であるが、その場合にはサポート材を別途設けなければならないため、本形態例の場合はワイヤとロッドの組み合わせ例としている。

また、図１では、説明の便宜上から各電極３，４を排気ガス２の流れ方向に並べた図示となっているが、実際には、図２に図１のＩＩ−ＩＩ方向の矢視図で示している通り、前記各電極３，４を排気ガス２の流れを横切るように並べ、該排気ガス２の流れの向きには並ばないようにする必要がある。

この際、前記各電極３，４は、排気管１の半径方向に向け中心部近くまで挿し入れて排気ガス２の主流に晒されるようにしておくことが好ましく、このように排気ガス２の主流を検出対象とした方が、排気管１の内壁近くの流れを検出対象とするよりもＰＭ濃度の検出が正確なものとなる。

図３は前記各電極３，４の詳細な構造を拡大図で示したものであり、ワイヤで構成された一方の電極３の上下端が、ロッドで構成されている他方の電極４の上下端に装着された絶縁体５，６により支持されるようにしてあり、両者間に約５ｍｍ程度の間隔ｗが確保されるようにしてある。

そして、先の図１に示してある通り、ワイヤで構成された一方の電極３は、車載のバッテリ７（直流電源）に対しスイッチング回路８と昇圧回路９とを介して接続された高電圧電極を成し、ロッドで構成されている他方の電極４は、コンデンサ１０を介し接地されて接地電極を成すようになっており、前述のバッテリ７とスイッチング回路８と昇圧回路９とから成るパルス高電圧発生手段１１により矩形波の交流高電圧が印加されて両電極３，４間に部分放電が発生されるようにしてある。尚、バッテリ７とスイッチング回路８と昇圧回路９とを１台のパルスジェネレータに置き換えてパルス高電圧発生手段１１を構成させることも可能である。

また、前記コンデンサ１０の端子電圧が電圧測定器１２により測定するようになっており、その測定された電圧値が制御装置１３（演算手段）に信号入力されてＰＭ濃度に換算されるようになっている。

ここで、特に本形態例においては、各電極３，４の配置位置に近い排気管１の適宜位置に温度センサ１４が備えられ、該温度センサ１４に測定された排気温度が前記制御装置１３に信号入力されるようになっており、該制御装置１３でＰＭ濃度に温度補正がかけられ且つ所定の下限温度（約１００℃程度）以上でのみＰＭ濃度の検出が実施されるようにしてある。

而して、このように粒子センサを構成した場合、パルス高電圧発生手段１１により両電極３，４間に矩形波の交流高電圧を印加すると、該電極３，４間に部分放電が発生してＰＭが帯電し、その帯電したＰＭが電極３，４の夫々に付着することになるが、このＰＭの付着により電極３，４間のギャップが縮まり且つ相互の対向面の表面積が増える結果、部分放電や漏れ電流により電極３，４間の空間や壁面を移動する電荷が増えることでコンデンサ１０に蓄積される電荷量が増加する一方、両電極３，４から成るセンサー部分の静電容量が増えることでもコンデンサ１０に蓄積される電荷量が増加し、斯かる電荷量の増加に伴いコンデンサ１０の端子電圧が上昇するので、その電圧値を電圧測定器１２により測定して制御装置１３で換算することでＰＭ濃度を検出することが可能となる。

ここで、両電極３，４から成るセンサー部分の静電容量が増えることでコンデンサ１０に蓄積される電荷量が増加する理由につき補足して説明すると、本形態例の粒子センサは、図４の如き電気回路として図示することができ、電極３，４から成るセンサー部分をコンデンサのように見立てた場合、その静電容量は、下記の式（１）のように表すことができる。
［数１］
Ｃ＝εＳ／ｄ…（１）
Ｃ：静電容量
ε：誘電率
Ｓ：電極の対向面の表面積
ｄ：電極間のギャップ

依って、ＰＭの付着により電極３，４間のギャップｄが縮まり且つ相互の対向面の表面積Ｓが増えれば、電極３，４から成るセンサー部分の静電容量Ｃは増えることになる。

そして、電荷量Ｑ、静電容量Ｃ、印加電圧Ｖの間には、下記の式（２）のような関係がある。
［数２］
Ｑ＝ＣＶ…（２）

このため、決められた印加電圧Ｖに対し静電容量Ｃが増えれば、電極３，４から成るセンサー部分における電荷量Ｑが増えることになり、コンデンサ１０における電荷量も増えることになるが、コンデンサ１０における静電容量は不変であるため、コンデンサ１０の端子電圧が増加することになる。

更に、コンデンサ１０に蓄積された電荷は、矩形波の交流高電圧の印加により電界の極性が反転して起こるコンデンサ１０の放電によりリセットされる形となり、また、各電極３，４に付着していたＰＭについても、前記電界の極性の反転により電極３，４側と同じ電荷となって反発することで剥離し、排気ガス２の流れによりＰＭが吹き飛ばされてリセットされる形となり、その後で新たな電界により帯電したＰＭが付着し始めることになる。

図５はパルス高電圧発生手段１１による両電極３，４への印加電圧Ｖ_inと電圧測定器１２の検出電圧Ｖ_outをグラフで示したものであり、波形Ａのように矩形波の交流高電圧である印加電圧Ｖ_inを印加した場合、電圧測定器１２により測定される検出電圧Ｖ_outは波形Ｂのように検出されるが、時間軸を印加電圧Ｖ_inのパルス毎に分割して、その分割された単位時間内でのピークの電圧値、若しくは、平均電圧値を測定値として制御装置１３でＰＭ濃度に換算すれば良い。

ここで、本形態例の場合は、温度センサ１４に測定された排気温度に基づき制御装置１３で算出したＰＭ濃度に温度補正がかけられるようになっているので、排気温度による電圧値の変動を加味して、より精度の高いＰＭ濃度が制御装置１３で求められることになる。

ここで、図６に模式的に示している通り、前記各電極３，４は排気ガス２の流れに対し平面を持たない円柱形状となっており、しかも、排気管１の途中に排気ガス２の流れを横切るように挿入され且つ排気ガス２の流れの向きに並ばないように対向配置されているので、特に前記各電極３，４の対向面は、排気ガス２が接線方向に近い向きから強く吹き付けてＰＭが留まり難い環境が作り出され、電界の極性の反転に伴うＰＭの分離除去が確実に行われることになる。

尚、パルス高電圧発生手段１１により交流高電圧の矩形波の周波数を下げて一周期当たりのコンデンサ１０の充電時間を長くすれば、排気ガス２中に含まれるＰＭの濃度が低い場合にも各電極３，４へのＰＭの付着量を有意差がある量としてＰＭ濃度の検出を実現することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、電極３，４の形状と配置を工夫し且つ該各電極３，４に矩形波の交流高電圧をパルス高電圧発生手段１１で印加することでＰＭの付着と剥離を確実に行わしめて、時々刻々変化するＰＭの濃度を連続的に検出することができ、しかも、ＰＭの堆積による悪影響を受けずに正確な測定を長期間に亘り継続することができ、更には、パルス高電圧発生手段１１で交流高電圧の矩形波の周波数を下げて一周期当たりのコンデンサ１０の充電時間を長くすることにより、排気ガス２中に含まれるＰＭの濃度が低い場合であっても、各電極３，４へのＰＭの付着量を有意差がある量としてＰＭ濃度の検出を実現することができる。

また、排気管１内の排気ガス２の温度を検出する温度センサ１４を更に備え、該温度センサ１４に測定された排気温度に基づき制御装置１３で算出したＰＭ濃度に温度補正をかけ且つ所定の下限温度以上でのみＰＭ濃度の検出を実施し得るよう構成しているので、排気温度による電圧値の変動を加味した精度の高いＰＭ濃度を求めることができると共に、所定の下限温度を下まわるような排気温度の低い結露環境下での不正確な検出を回避することができる。

更に、一対の電極３，４のうちの一方をワイヤで構成し且つ他方を前記ワイヤを支持するためのサポート材を兼ねたロッドで構成しているので、サポート材を不要として製作を容易化することができ、しかも、サポート材が不要となる分だけ排気ガス２の流れに対する圧力損失を低減することができる。

尚、本発明の粒子センサは、上述の形態例の如きパティキュレートフィルタの入側への適用に限定されることなく、排気管途中のどのような場所に適用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１排気管
２排気ガス
３電極
４電極
１０コンデンサ
１１パルス高電圧発生手段
１２電圧測定器（電圧測定手段）
１３制御装置（演算手段）
１４温度センサ

Claims

排気管を流れる排気ガス中に含まれるＰＭの濃度を検出する粒子センサであって、排気管の途中に排気ガスの流れを横切るように挿入され且つ該排気ガスの流れの向きに並ばないように互いに平行を成して対向配置された円柱形状の一対の電極と、該電極の一方を高電圧電極とし且つ他方を接地電極として両電極間に部分放電が発生するよう矩形波の交流高電圧を印加するパルス高電圧発生手段と、該パルス高電圧発生手段により両電極間に交流高電圧を印加するための電気回路中に介装されたコンデンサと、該コンデンサの端子電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段により測定された電圧値をＰＭ濃度に換算する演算手段とを備えたことを特徴とする粒子センサ。
排気管内の排気ガスの温度を検出する温度センサを更に備え、該温度センサに測定された排気温度に基づき演算手段で算出したＰＭ濃度に温度補正をかけ且つ所定の下限温度以上でのみＰＭ濃度の検出を実施し得るよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の粒子センサ。
一対の電極のうちの一方をワイヤで構成し且つ他方を前記ワイヤを支持するためのサポート材を兼ねたロッドで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子センサ。