JP2015218580A

JP2015218580A - Ｐｍ検出装置

Info

Publication number: JP2015218580A
Application number: JP2014100149A
Authority: JP
Inventors: 弘行二宮; Hiroyuki Ninomiya; 浩史遠藤; Hiroshi Endo
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】簡単な構成によりＰＭセンサの応答性を高め、ＰＭフィルタの故障を短い時間で確実に検知し得るＰＭ検出装置を提供する。
【解決手段】排気管９の途中に設置されたＰＭフィルタ７の下流に、ＰＭの堆積量から排気中のＰＭを検出するＰＭセンサ１を設置し、ＰＭフィルタ７を通過した後の排気Ｇに含まれるＰＭの量を検出するＰＭ検出装置に関し、排気管９の途中であってＰＭフィルタ７の下流の位置に狭窄部１０を形成し、該狭窄部１０にＰＭセンサ１を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＭセンサの応答性を高め、ＰＭフィルタの故障を短い時間で確実に検知し得るＰＭ検出装置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、パティキュレート）は、炭素質から成る煤と、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ＰＭの低減対策としては、排気が流通する排気管の途中に、ＰＭフィルタを装備することが従来行われている。

この種のＰＭフィルタは、例えば、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気のみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気中のＰＭは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにＰＭを適宜に燃焼除去してＰＭフィルタの再生を図る必要がある。

この種のＰＭフィルタにおいては、多量のＰＭが一気に燃焼することによる溶損や、物理的な衝撃等による破損等を要因としてＰＭフィルタに故障が生じる虞があり、ＰＭフィルタが故障したまま運転を続けると、エンジンから排出されるＰＭを排気から適切に除去することができず、大気汚染物質であるＰＭが大気中へ放出されてしまう。

そこで、ＰＭフィルタの故障を自己診断により自動的に検知するＯＢＤ（On-Board Diagnostics：自己診断機能）を自動車に搭載し、ＰＭフィルタが故障したことを運転者に知らせてＰＭフィルタの交換を促すことが従来行われている。ＰＭフィルタの故障を検知する方法としては、例えば、ＰＭフィルタの上流と下流で排気の圧力を測定し、圧力損失が所定値より低い場合にはＰＭフィルタが故障していると判定するといった方法が用いられている。

ところで、自動車の排気に関する規制は年々強化される傾向にある。特に米国においては、排気浄化装置の故障を検知するＯＢＤの設置がいち早く義務付けられた経緯があり、更に近い将来、排気浄化装置の故障の検知機能に対する規制は一層強化される見通しである。そのような厳しい規制に対応するためには、上記したような圧力の測定による検知方法では不十分であり、ＰＭフィルタの故障をこれまでより一層精度良く検知し得る検知手段が求められている。

そのような高精度の検知手段として、例えば、２つの電極を備えた基盤表面にＰＭを堆積させ、電極間の通電によりＰＭの堆積を検出する堆積式ＰＭセンサと呼ばれるＰＭセンサを構成要素として備えたＰＭ検出装置が提案されている。このようなＰＭ検出装置においては、ＰＭセンサをＰＭフィルタの下流に設置し、ＰＭフィルタを通過してきた排気中のＰＭの量を測定するようになっている。

こうしたＰＭ検出装置に用いられる堆積式ＰＭセンサの構造および作用を、図２〜図５を参照しながら説明する。

ＰＭセンサ１は、図２に示す如く、表面にＰＭを堆積させて検出する検出部２と、該検出部２に電圧を印加すると共に検出部２からの電流を出力する出力部３と、該出力部３の制御を行う制御部４を有し、検出部２は、基盤５の表面に２つの電極６，６を有する構造である。基盤５は絶縁体であり、電極６，６は基盤５上の互いに離れた位置に設置されているため、電極６，６同士は絶縁されている。

ＰＭセンサ１は、図３に示す如く、ＰＭフィルタ７の下流の排気管８に外側から挿入するようにして設置される。このとき、ＰＭセンサ１は、検出部２が排気管８の内側に突出するように設置され、検出部２は、電極６，６を有する面が上流側に向くように配置される。また、検出部２の電極６，６の間には、出力部３から所定の電圧が印加される。このようにしてＰＭセンサ１を設置すると、図４（ａ）〜（ｅ）に示す如く、ＰＭフィルタ７を通過した排気Ｇに含まれるＰＭが、ＰＭセンサ１の検出部２の表面に徐々に堆積していく。

ＰＭの堆積がない状態（図４（ａ））では、上記したように、検出部２の電極６，６は絶縁されているため、電極６，６間に電圧が印加されていても電極６，６同士が通電することはない。検出部２の表面にＰＭが堆積しはじめ、図４（ｂ）に示す如く、微量のＰＭが付着した状態となっても、電極６，６同士は通電しない。ＰＭの堆積量がある一定量を超え、図４（ｃ）に示す如く、ＰＭが電極６，６同士を架橋するようになると、主成分として炭素を含むＰＭは導電体であるので、電極６，６間にＰＭを介して電流が流れ始め、出力部３はこの電流を検出して出力する。すなわち、ＰＭセンサ１は、検出部２の基盤５表面のＰＭの堆積量を電流として出力する。

ＰＭの堆積量がさらに増えていくと（図４（ｄ））、電極６，６間の電気抵抗値が下がっていくため、検出部２からの出力値は上がっていく。ＰＭの堆積量がある一定量以上に達すると（図４（ｅ））、電極６，６の間の通電量は飽和し、検出部２の出力はそれ以上上がらなくなる。このようにして、ＰＭセンサ１の出力値は、ＰＭの堆積に伴い、図４（ｆ）に示すように変化する。

検出部２からの出力値が飽和すると、ＰＭセンサ１の制御装置４は、検出部２上にＰＭが多量に堆積したと判断し、出力部３に対して検出部２を加熱する指令を出す。出力部３は、検出部２を加熱する操作を行って検出部２上に堆積したＰＭを燃焼させる。検出部２を加熱する操作は、例えば、電極６，６間に大きい電圧を印加し、堆積したＰＭに電流を流してジュール熱を発生させることにより行われる。ＰＭの燃焼によりＰＭセンサ１の検出部２は再生されて図４（ａ）の状態に戻り、その後再びＰＭが堆積して図４（ｅ）の状態になると再びＰＭが燃焼され、図４（ａ）の状態に戻り、ＰＭセンサの出力値もゼロに戻る。このサイクルを繰り返すことにより、ＰＭセンサ１の出力は図５に示すように周期的に変化し、継続的に検出部２へのＰＭの堆積が検出される。

ここで、ＰＭフィルタ７が故障している場合には、排気Ｇ中のＰＭの捕集除去が十分に行われないので、ＰＭフィルタ７を通過した排気Ｇ中のＰＭ濃度が高くなる。そして、ＰＭ濃度が高いほど、検出部２表面にＰＭが堆積するのが早いため、図５に破線で示す如く、上記サイクルのうちＰＭの堆積量が少ないためにＰＭセンサ１の出力がゼロである時間（不感帯）が短く、また、ＰＭセンサ１の出力が上昇する際の単位時間あたりの出力上昇（グラフの斜線部分の傾き）が大きく、上記サイクル一回あたりの時間（ＰＭセンサ１の再生が行われてから、次の再生が行われるまでの時間）も短くなる。したがって、ＰＭセンサ１の出力値の経時変化を読み取り、ＰＭフィルタ７が正常な場合の経時変化と比較することにより、ＰＭフィルタ７の故障を判定することができる。

ところが、現行のＰＭフィルタにおいてはＰＭの捕集効率が高く、ＰＭフィルタ７が故障した場合であっても、排気中のＰＭをかなりの効率で捕集除去するので、ＰＭセンサ１の検出部２にＰＭが堆積するのに時間がかかる。このため、ＰＭフィルタ７が故障していた場合、例えばＰＭセンサ１の出力値を長いスパンで読み取ることにより故障を検知することはできるとしても、ＰＭフィルタ７が故障してからその故障を検知できるまでに長い時間がかかってしまう問題があった。

そのようなＰＭセンサの反応性や感度の問題を解決するための技術としては、例えば、特許文献１に記載の装置が提案されている。これは、排気主通路の他に排気分岐通路を設けてそこに粒子状物質検出手段（ＰＭセンサ）を設け、該ＰＭセンサの上流に粒子状物質（ＰＭ）濃縮装置を設けることにより、ＰＭセンサの感度を高めるものである。

特開２０１０−１４５１２３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置は、複雑な配管構造を有し、部品点数や重量が嵩む上、既存の排気浄化装置に取り付けるには排気管の一部又は全部を取り替える大掛かりな作業が必要であり、手間とコストがかかるという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、簡単な構成によりＰＭセンサの応答性を高め、ＰＭフィルタの故障を短い時間で確実に検知し得るＰＭ検出装置を提供しようとするものである。

本発明は、排気管の途中に設置されたＰＭフィルタの下流に、ＰＭの堆積量から排気中のＰＭを検出するＰＭセンサを設置し、ＰＭフィルタを通過した後の排気に含まれるＰＭの量を検出するＰＭ検出装置であって、前記排気管の途中であって前記ＰＭフィルタの下流の位置に狭窄部を形成し、該狭窄部に前記ＰＭセンサを設置したことを特徴とするＰＭ検出装置にかかるものである。

而して、このようにすれば、狭窄部を通過する排気は、流路が絞られてＰＭが濃縮されると同時に流速が速くなるので、ＰＭセンサにＰＭが堆積する速度が速くなる。

本発明のＰＭ検出装置において、前記狭窄部は、前記排気管の一部を絞り加工して形成しても良く、このようにすれば、既存の排気管に対し任意の位置に簡単な作業で本発明のＰＭ検出装置を設置することができる。

本発明のＰＭ検出装置によれば、簡単な構成によりＰＭセンサの応答性を高め、ＰＭフィルタの故障を短い時間で確実に検知し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施の形態によるＰＭ検出装置の一例を示す概念図である。ＰＭ検出装置の構成要素であるＰＭセンサの一例を示す概念図である。従来のＰＭ検出装置の一例を示す概念図である。ＰＭセンサの作動を示す概念図であり、（ａ）〜（ｅ）はＰＭセンサにＰＭが堆積する様子を表す概念図、（ｆ）はＰＭセンサの出力の変動を表す線図である。従来のＰＭ検出装置におけるＰＭセンサの出力の変動を表す線図である。本発明によるＰＭ検出装置におけるＰＭセンサの出力の変動を表す線図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施によるＰＭ検出装置の形態の一例を示すものであって、図中、図２〜図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図３に示す従来のものと同様である。ＰＭセンサ１は、ＰＭフィルタ７の下流の排気管９に設置され、ＰＭフィルタ７を通過してきた排気Ｇ中のＰＭの量を測定するようになっており、従来例のＰＭセンサ１と同様、検出部２上のＰＭの堆積量を電流として出力し、ＰＭが多量に堆積するとＰＭを燃焼させてＰＭセンサ１を再生するようになっている（図２、図４参照）。

本実施例の特徴とするところは、排気管９の途中であってＰＭフィルタ７の下流の位置に該排気管９の流路断面積を小さくした狭窄部１０を形成し、該狭窄部１０にＰＭセンサ１を設置した点にある。

本実施例において、排気管９は横断面が円形をなしており、狭窄部１０は、排気管９の径が上流から下流に向かって小さくなる縮径部１０ａと、該縮径部１０ａに続いて形成され、排気管９の他の部分よりも径の小さい円筒をなす小円筒部１０ｂと、該小円筒部１０ｂに続いて形成され、径が上流から下流に向かって大きくなる拡径部１０ｃとを有し、ＰＭセンサ１は、小円筒部１０ｂの内側に検出部２が突出するように設置される。

次に、上記した実施例の作動を説明する。排気管９を流れてきた排気Ｇは、排気管９内に設置されたＰＭフィルタ７を通過して下流へと流れる。排気Ｇに含まれるＰＭは、ＰＭフィルタ７によって大部分が捕集除去されるが、捕集されずに排気Ｇ中に残ったＰＭは、排気Ｇと共に排気管９内をＰＭフィルタ７の下流へと流れていく。

ここで、ＰＭフィルタ７によって捕集されなかったＰＭは、その一部がＰＭフィルタ７の下流に設けられたＰＭセンサ１の検出部２に付着し、ＰＭセンサ１はこのＰＭの付着量に応じた電流を出力し、この出力電流の経時変化によりＰＭフィルタ７の故障を検知するようになっている。

このとき、上記した通り、現行のＰＭフィルタ７はＰＭの捕集効率が高いため、ＰＭフィルタ７が正常な場合はもとより、ＰＭフィルタ７が故障している場合であっても、ＰＭフィルタ７の下流に流れる排気Ｇ中のＰＭ濃度は低い。

しかしながら、本実施例においては、上記したように、排気管９の途中に狭窄部１０が形成されているため、ここを通過する排気Ｇは、流路が絞られてＰＭが濃縮されると同時に流速が速くなる。この作用により、図３に示す従来のＰＭ検出装置と比較して、ＰＭセンサ１の検出部２にＰＭが堆積する速度が速くなる。したがって、ＰＭセンサ１が、検出部２にＰＭの堆積していない図４（ａ）の状態から、ＰＭが堆積し、図４（ｂ）〜（ｄ）の状態を経て多量のＰＭが堆積した図４（ｅ）の状態に至るまでの時間が短い。よって、図６に示す如く、本実施例のＰＭ検出装置によれば、同じ濃度のＰＭを含む排気Ｇを通した場合、図５に示した従来のＰＭ検出装置の場合に比べ、ＰＭの堆積量が少ないためにＰＭセンサ１の出力がゼロである時間（不感帯）が短く、ＰＭセンサ１の出力が増加する際の単位時間あたりの出力上昇（グラフの斜線部の傾き）が大きく、また、ＰＭセンサ１の再生が行われてから次の再生が行われるまでの時間も短くなる。このため、従来のＰＭ検出装置と比較して短時間でＰＭフィルタ７の故障を検知することができる。

尚、排気管９は、予め狭窄部１０を有するように形成しても良いし、既存の排気管９の一部を絞り加工して狭窄部１０を形成するようにしても良い。

既存の排気管９の一部を絞り加工して狭窄部１０を形成するようにした場合には、既存の排気管９に狭窄部１０を形成し、ＰＭセンサ１を設置すれば良いので、既存の排気管に対し任意の位置に簡単な作業で本発明のＰＭ検出装置を設置することができる。

従って、本発明のＰＭ検出装置によれば、簡単な構成によりＰＭセンサ１の応答性を高め、ＰＭフィルタ７の故障を短い時間で確実に検知し得る。

尚、本発明のＰＭ検出装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、ＰＭセンサとしては上記ＰＭセンサ１と異なる構成のものも使用し得ること、排気管および狭窄部は、流路断面積を小さくした部分にＰＭセンサを設置するよう構成されていれば本実施例と異なる形状のものであっても良いこと等、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。

１ＰＭセンサ
７ＰＭフィルタ
９排気管
１０狭窄部
Ｇ排気
ＰＭパティキュレート

Claims

排気管の途中に設置されたＰＭフィルタの下流に、ＰＭの堆積量から排気中のＰＭを検出するＰＭセンサを設置し、ＰＭフィルタを通過した後の排気に含まれるＰＭの量を検出するＰＭ検出装置であって、
前記排気管の途中であって前記ＰＭフィルタの下流の位置に狭窄部を形成し、該狭窄部に前記ＰＭセンサを設置したことを特徴とするＰＭ検出装置。
前記狭窄部は、前記排気管の一部を絞り加工して形成したことを特徴とする請求項１に記載のＰＭ検出装置。