JP2014159785A - 粒子状物質の測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】粒子状物質の測定装置に関し、ＰＭ堆積による電極間のショートを効果的に防止する。
【解決手段】多孔質性の隔壁で区画された複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたＤＰＦ１６と、少なくとも一つのセルを測定用セル４とし、測定用セル４を挟んで対向する一対のセル２，３に非目封止側からそれぞれ挿入される一対の電極Ａ，Ｂと、電極Ａ，Ｂ間の静電容量に基づいてＤＰＦ１６に捕集されるＰＭ堆積量を算出するＰＭ堆積量算出部２１，２２とを備え、電極Ａ，Ｂは導電性の線芯Ａ１，Ｂ１に絶縁層Ａ２，Ｂ２を被覆して形成される。
【選択図】図３
【解決手段】多孔質性の隔壁で区画された複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたＤＰＦ１６と、少なくとも一つのセルを測定用セル４とし、測定用セル４を挟んで対向する一対のセル２，３に非目封止側からそれぞれ挿入される一対の電極Ａ，Ｂと、電極Ａ，Ｂ間の静電容量に基づいてＤＰＦ１６に捕集されるＰＭ堆積量を算出するＰＭ堆積量算出部２１，２２とを備え、電極Ａ，Ｂは導電性の線芯Ａ１，Ｂ１に絶縁層Ａ２，Ｂ２を被覆して形成される。
【選択図】図３
Description
本発明は、粒子状物質の測定装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質の測定装置（静電容量ＤＰＦ・ＰＭセンサ）に関する。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。一般的に、ＤＰＦは、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを備え、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成される。
ＤＰＦのＰＭ捕集量には限度があるため、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これら堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆる強制再生が必要になる。そのため、強制再生の制御には、ＰＭ堆積量を精度良く測定することが望まれる。
例えば、特許文献１には、排気下流側が目封止された測定用セルを挟んで対向する一対のセルに一対の電極をそれぞれ挿入し、これら電極間で形成されるコンデンサの静電容量に基づいてＰＭ堆積量を検出するＰＭセンサが開示されている。
ところで、上述した従来のＰＭセンサでは、セル内に挿入される電極は直線性を維持することが難しく、電極の外周とセルの隔壁表面とに部分的な接触を生じさせる。一般的に、電極は導電性の金属材料のみで形成されているため、例えば、図６に示すように、導電性のＰＭが測定用セル１００の隔壁表面に略矩形状に堆積し、且つ隔壁内部にも捕集されると、一対の電極Ａ１０，Ｂ１０が互いに導電性のＰＭで連通してショートするといった課題がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＰＭ堆積による電極間のショートを効果的に防止することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の粒子状物質の測定装置は、内燃機関の排気通路内に設けられ、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたフィルタと、少なくとも一つのセルを測定用セルとし、当該測定用セルを挟んで対向する一対のセルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の電極と、前記一対の電極間の静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集される粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出手段と、を備え、前記電極は、導電性の線芯に絶縁層を被覆して形成されることを特徴とする。
また、前記絶縁層は、セラミックス材料又はガラス材料で形成されるものであってもよい。
また、一つのセルを中心セルとし、当該中心セルの四つの隔壁に隣接させて前記測定セルを四つ配置すると共に、当該中心セルを挟んだ対角上の四つのセルに前記電極をそれぞれ挿入し、対角上に挿入された一対の電極を互いに接続する第一接続部材と、対角上に挿入された他の一対の電極を互いに接続する第二接続部材と、をさらに備えてもよい。
また、前記フィルタは、前記排気通路内に、前記測定用セルの非目封止側を上流側に向けて配置されてもよい。
また、前記排気通路の所定位置から分岐するバイパス通路と、前記バイパス通路の分岐位置よりも下流側の排気通路内に設けられ、当該下流側の排気通路内を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記フィルタは、前記バイパス通路内に配置されてもよい。
また、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記電極をヒータとして機能させてもよい。
本発明の粒子状物質の測定装置によれば、ＰＭ堆積による電極間のショートを効果的に防止することができる。また、電極の腐食も防止されるので、比較的安価な材料を電極として使用することができる。
以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る粒子状物質の測定装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。
さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に、排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４、ＤＰＦ入口温度センサ３１、ＤＰＦ出口温度センサ３２が設けられている。
排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。
ＤＰＦ入口温度センサ３１は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、入口温度ＴIN）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ３２は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、出口温度ＴOUT）を検出する。これら入口温度ＴIN及び出口温度ＴOUTは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。
排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。
酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミックス製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、ＤＰＦ１６の強制再生時に、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ１６はＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温されて、堆積したＰＭが燃焼除去される。
ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。以下、図２，３に基づいて、本実施形態のＤＰＦ１６の詳細構造を説明する。
図２に示すように、ＤＰＦ１６には、排気上流側を目封止された複数のセル１が、中心セルとして選定されている。また、中心セル１を挟んで対角上に配置される一対のセル２には、第一電極Ａがそれぞれ挿入されている（以下、セル２を第一電極用セルという）。さらに、中心セル１を挟んで対角上に配置される他の一対のセル３には、第二電極Ｂがそれぞれ挿入されている（以下、セル３を第二電極用セルという）。すなわち、中心セル１の隔壁と隣接し、且つ第一電極用セル２と第二電極用セル３とで挟まれた四つのセル４が、静電容量の測定用に選定されている（以下、セル４を測定用セルという）。
第一電極Ａ及び第二電極Ｂは、図３に示すように、導電性の金属材料で形成された線芯Ａ１，Ｂ１と、絶縁性のセラミックス材料又はガラス材料で形成されて線芯Ａ１，Ｂ１の外周を被覆する絶縁層Ａ２，Ｂ２とを備えている。すなわち、これら電極Ａ，Ｂがセル２，３内で曲がり、少なくともその一部が隔壁表面と接触する場合においても、隔壁と線芯Ａ１，Ｂ１との間には絶縁層Ａ２，Ｂ２が介在する。これにより、導電性のＰＭが測定用セル４の隔壁表面に略矩形状に堆積し、且つその一部が隔壁内に捕集されても、第一電極Ａと第二電極Ｂとの間のショートを確実に防止するように構成されている。
第一電極用セル２に挿入された第一電極Ａは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属線で形成された第一接続部材Ａ３（図２（ａ）参照）によって互いに接続されている。同様に、第二電極用セル３に挿入された第二電極Ｂは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属線で形成された第二接続部材Ｂ３（図２（ａ）参照）によって互いに接続されている。
本実施形態において、第一電極Ａの突出量は、第一接続部材Ａ３と第二接続部材Ｂ３との接触を回避するために、第二電極Ｂの突出量よりも長く設定されている。なお、これら突出量は、必ずしも第一電極Ａを長くする必要はなく、第二電極Ｂを長く設定することもできる。
次に、図１に戻って、本実施形態のＥＣＵ２０を説明する。ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
静電容量演算部２１は、第一電極Ａ及び第二電極Ｂから入力される信号に基づいて、これら第一電極Ａと第二電極Ｂとの間の静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃは、電極Ａ，Ｂ間の媒体の誘電率ε、電極Ａ，Ｂの面積Ｓ、電極Ａ，Ｂ間の距離ｄとする以下の数式１で演算される。
ＰＭ堆積量推定部２２は、ＤＰＦ入口温度センサ３１で検出される入口温度ＴIN及びＤＰＦ出口温度センサ３２で検出される出口温度ＴOUTの平均値（以下、ＤＰＦ平均温度ＴAVE）と、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃとに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭDEPを推定する。ＰＭ堆積量ＰＭDEPの推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
次に、本実施形態に係る粒子状物質の測定装置による作用効果を説明する。
従来のＰＭセンサでは、セル内に挿入される電極は直線性を維持することが難しく、電極の一部はセルの隔壁表面と接触する。電極は導電性の金属材料のみで形成されているため、導電性のＰＭが測定用セルの隔壁表面に略矩形状に堆積し、且つその一部が隔壁内部にも捕集されると、一対の電極は導電性のＰＭで連通されるため（図６参照）、これら電極間がショートする可能性がある。
これに対し、本実施形態の粒子状物質の測定装置では、第一電極Ａ及び第二電極Ｂは、導電性の線芯Ａ１，Ｂ１の外周を絶縁層Ａ２，Ｂ２で被覆して形成されている。すなわち、図４に示すように、導電性のＰＭが測定用セルの隔壁表面に略矩形状に堆積し、且つ隔壁内部に捕集された場合においても、第一電極Ａの線芯Ａ１と第二電極Ｂの線芯Ｂ１との連通は、介在する絶縁層Ａ２，Ｂ２によって確実に遮断される。
したがって、本実施形態の粒子状物質の測定装置によれば、ＰＭ堆積による第一電極Ａと第二電極Ｂとの間のショートを確実に防止することができる。特に、ＤＰＦ１６が触媒を担持して形成されている場合は、絶縁層Ａ２，Ｂ２が保護層としても機能するため、これら第一電極Ａ及び第二電極Ｂの腐食を効果的に抑制することができる。
また、従来のＰＭセンサでは、一つのセルを挟んで配置される一対の電極に対して一つのコンデンサのみが形成される（例えば、二本の電極Ａ、二本の電極Ｂに対しては二つのコンデンサのみが形成される）。そのため、測定用セルを増やすためには、電極の本数を増加させる必要があり、製造コストの増加を招く他、電極用セルの増加によりＤＰＦのＰＭ捕集能力が低下するといった課題がある。
これに対し、本実施形態の粒子状物質の測定装置では、二本の第一電極Ａ及び、二本の第二電極Ｂがそれぞれ中心セル１を挟んで対角上にある一対のセル２，３に挿入され、これら二本の第一電極Ａと二本の第二電極Ｂとの間に四つのコンデンサが形成される。すなわち、中心セル１の対角上にある四つのセルが静電容量の測定用セルとなるように構成されている。
したがって、本実施形態の粒子状物質の測定装置によれば、電極Ａ，Ｂの本数を増やすことなく、コンデンサを効果的に多く形成することが可能となり、製造コストの増加やＤＰＦのＰＭ捕集能力低下を効果的に抑制することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、ＤＰＦ１６は、排気通路１２内に測定用セル４の非目封止側を排気上流側に向けて配置されるものとして説明したが、測定用セル４の目封止側を排気上流側に向けて配置してもよい。
また、図５に示すように、酸化触媒１５よりも下流側の排気通路１２から分岐するバイパス通路１８を設け、このバイパス通路１８内に容量を小さくした計測用のＤＰＦ１６を配置して構成してもよい。この場合、分岐部よりも下流側の排気通路１２には容量の大きいＤＰＦ１７（第２のフィルタ）を設け、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａを設けることが好ましい。また、計測用のＤＰＦ１６の強制再生を実行する場合は、電極Ａ，Ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
１ 中心セル
２ 第一電極用セル（第一対角セル）
３ 第二電極用セル（第二対角セル）
４ 測定用セル
１０ エンジン
１２ 排気通路
１４ 排気後処理装置
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
２０ ＥＣＵ
２１ 静電容量演算部（堆積量算出手段）
２２ ＰＭ堆積量推定部（堆積量算出手段）
Ａ 第一電極
Ｂ 第二電極
Ａ１，Ｂ１ 線芯
Ａ２，Ｂ２ 絶縁層
Ａ３ 第一接続部材
Ｂ３ 第二接続部材
２ 第一電極用セル（第一対角セル）
３ 第二電極用セル（第二対角セル）
４ 測定用セル
１０ エンジン
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１４ 排気後処理装置
１６ ＤＰＦ（フィルタ）
２０ ＥＣＵ
２１ 静電容量演算部（堆積量算出手段）
２２ ＰＭ堆積量推定部（堆積量算出手段）
Ａ 第一電極
Ｂ 第二電極
Ａ１，Ｂ１ 線芯
Ａ２，Ｂ２ 絶縁層
Ａ３ 第一接続部材
Ｂ３ 第二接続部材
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路内に設けられ、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止されたフィルタと、
少なくとも一つのセルを測定用セルとし、当該測定用セルを挟んで対向する一対のセルに非目封止側からそれぞれ挿入される一対の電極と、
前記一対の電極間の静電容量に基づいて、前記フィルタに捕集される粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出手段と、を備え、
前記電極は、導電性の線芯に絶縁層を被覆して形成される
ことを特徴とする粒子状物質の測定装置。 - 前記絶縁層は、セラミックス材料又はガラス材料で形成される請求項１に記載の粒子状物質の測定装置。
- 一つのセルを中心セルとし、当該中心セルの四つの隔壁に隣接させて前記測定セルを四つ配置すると共に、当該中心セルを挟んだ対角上の四つのセルに前記電極をそれぞれ挿入し、
対角上に挿入された一対の電極を互いに接続する第一接続部材と、
対角上に挿入された他の一対の電極を互いに接続する第二接続部材と、をさらに備える請求項１又は２に記載の粒子状物質の測定装置。 - 前記フィルタは、前記排気通路内に、前記測定用セルの非目封止側を上流側に向けて配置される請求項１から３の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。
- 前記排気通路の所定位置から分岐するバイパス通路と、
前記バイパス通路の分岐位置よりも下流側の排気通路内に設けられ、当該下流側の排気通路内を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
前記フィルタは、前記バイパス通路内に配置される請求項１から４の何れか一項に記載の粒子状物質の測定装置。 - 前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記電極をヒータとして機能させる請求項５に記載の粒子状物質の測定装置。
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