JP2016008861A

JP2016008861A - センサ

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Publication number: JP2016008861A
Application number: JP2014128597A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 直人村澤; Naoto Murasawa; 哲史塙; Tetsushi Hanawa; 今井　博之; Hiroyuki Imai; 博之今井
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2016-01-18
Anticipated expiration: 2034-06-23
Also published as: JP6361314B2

Abstract

【課題】ＰＭセンサに関し、排気ガス中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに推定する。【解決手段】多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材３１と、筒状に形成されてその筒内にフィルタ部材３１を収容すると共に、一端開口部１２から筒内に導入した排気ガスをフィルタ部材３１に通過させて他端開口部１３から筒外に導出するケース部材１１と、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材３２，３３と、一対の電極部材３２，３３間の静電容量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定部４２とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサに関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。一般的に、電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−８３２１０号公報

ところで、電気抵抗型ＰＭセンサは、各電極にＰＭを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したＰＭの一部が離脱する可能性があり、推定精度を担保できない課題がある。また、電極に付着したＰＭの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、ＰＭ量を正確に推定できない課題もある。さらに、電極間の電気抵抗値は、ＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さない。このため、エンジンから排出されるＰＭ量をリアルタイムで検出することはできず、その用途はディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）よりも下流側で故障をオンボードで診断するものに限定されてしまう課題もある。

本発明の目的は、排気ガス中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに推定することができるＰＭセンサを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材と、筒状に形成されてその筒内に前記フィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気ガスを前記フィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材と、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材と、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気ガス中の粒子状物質量を推定する推定部とを備える。

また、前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行可能なフィルタ再生手段をさらに備え、前記推定部は、再生インターバル間の静電容量変化量から当該再生インターバル間に前記フィルタ部材で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。

また、前記推定部は、前記電極部材間の単位時間当たりの静電容量変化量に基づいて瞬時の粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。

また、前記ケース部材が内燃機関の排気管内に管径方向に突出して設けられると共に、前記一端開口部の開口面積が前記他端開口部の開口面積よりも小さく形成されてもよい。

また、前記ケース部材が内燃機関の排気管内に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集可能なフィルタ装置を迂回するバイパス管であってもよい。

また、前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板であってもよい。

また、前記第１電極板、前記第２電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第１及び第２電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層されてもよい。

本発明のＰＭセンサによれば、排気ガス中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに推定することができる。

第一実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。第一実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。第一実施形態に係るフィルタ再生を説明するタイミングチャート図である。第一実施形態に係るマップの一例を示す図である。第二実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。（Ａ）は、第三実施形態に係るＰＭセンサの模式的な斜視図、（Ｂ）は、第三実施形態に係るＰＭセンサの模式的な分解斜視図である。他の実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。他の実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るＰＭセンサを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及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。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａが適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。エンジン１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０又は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０の何れに設けてもよい。

次に、図２に基づいて第一実施形態に係るＰＭセンサ１０Ａの詳細構成について説明する。

ＰＭセンサ１０Ａは、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、コントロールユニット４０とを備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。

ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ₁₂は、導出口１３の総開口面積Ｓ₁₃よりも小さく形成されている（Ｓ₁₂＜Ｓ₁₃）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ₁₂が導出口１３付近の排気流速Ｖ₁₃よりも遅くなることで（Ｖ₁₂＜Ｖ₁₃）、導入口１２側の圧力Ｐ₁₂は導出口１３側の圧力Ｐ₁₃よりも高くなる（Ｐ₁₂＞Ｐ₁₃）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。

フィルタ部材３１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なす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。

電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、コントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。

電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。

コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。

フィルタ再生制御部４１は、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするフィルタ再生制御を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の表面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、測定用セルに捕集されたＰＭによって誘電率ε及び距離ｄが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。フィルタ再生制御部４１は、電極３２，３３の静電容量ＣｐがＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Ｃ_{P_max}に達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするフィルタ再生を開始する（図３の時間ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃参照）。このフィルタ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Ｃ_{P_min}に低下するまで継続される。

ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバルＴ_n間（フィル再生終了から次のフィルタ再生開始）における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を推定する。再生インターバルＴ_n間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍ_{PM_n}は、静電容量変化量ΔＣｐ_nに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。

ＰＭ量推定演算部４２は、数式２から算出される各再生インターバルＴ_n間のＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算する以下の数式３に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算する。

なお、静電容量Ｃｐの単位時間当たりの変化量ΔＣｐ／Δｔから、排気ガス中に含まれる瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}をリアルタイムに推定することもできる。この場合、瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}は、予め実験等により求めた静電容量ＣｐとＰＭ量ｍ_PMとの関係を示すマップ（図４参照）を用い、このマップに瞬時の静電容量変化量ΔＣｐ／Δｔを乗算することにより求めることができる。このように瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}を推定する場合は、ＰＭセンサ１０ＡをＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０に設ければ、エンジン１００から排出される瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}をリアルタイムに推定できるため、スモークリミット等のエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。

次に、本実施形態に係るＰＭセンサ１０Ａの作用効果を説明する。

電極間の電気抵抗値に基づいてＰＭ量を推定する電気抵抗型ＰＭセンサでは、排気流量が多くなるとＰＭを確実に電極に付着させておくことが難しくなるため、推定精度を担保できない課題がある。また、電極に付着したＰＭの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、ＰＭ量を正確に推定できない課題もある。さらに、電極間の電気抵抗値は、ＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、ＰＭ量をリアルタイムで推定できない課題もある。

これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集しつつ、各再生インターバルＴ_nのＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算することで、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａによれば、エンジン１００から排出される総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を高精度且つリアルタイムに推定することができる。特に、単位時間当たりの静電容量変化量ΔＣｐ／Δｔから瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_new}を推定するように構成すれば、ＰＭセンサ１０ＡをＤＰＦ２２０よりも上流側に設けることでエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。また、ＰＭセンサ１０ＡをＤＰＦ２２０の下流側に設けた場合は、ＤＰＦ２２０の故障をオンボードで高精度且つ早期に検知することが可能になる。

また、センサ部３０を収容したケース部材１１は、その先端部を排気管１１０内で排気流速が最も速い軸中心ＣＬ近傍まで突出させている。このケース部材１１の先端側筒壁部には、ケース部材１１内に排気ガスを取り込む導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、導入口１２よりも開口面積を大きく形成した導出口１３が設けられている。すなわち、導入口１２を排気流速が速い排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置し、導出口１３の開口面積を大きくしたことで、導入口１２と導出口１３との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部３０を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。

［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係るＰＭセンサ１０Ｂの詳細について説明する。第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂは、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａにおいて、ケース部材１１を二重管構造にしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明は省略する。また、導電線３２Ａ，３３Ａやコントロールユニット４０については図示を省略している。

第二実施形態のケース部材１１は、有底円筒状の内側ケース部１１Ａと、内側ケース部１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部１１Ｂとを備えている。

内側ケース部１１Ａは、先端側が外側ケース部１１Ｂよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部１１Ｂよりも長く形成されている。また、内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出口１３が設けられている。さらに、内側ケース部１１Ａの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口１４が設けられている。この通過口１４は、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。

流路１５の下流端には、内側ケース部１１Ａの先端側筒壁部と外側ケース部１１Ｂの先端部とにより区画された円環状の導入口１２が形成されている。導入口１２の開口面積Ｓ₁₂は、導出口１３の開口面積Ｓ₁₃よりも小さく形成されている（Ｓ₁₂＜Ｓ₁₃）。

すなわち、排気管１１０を流れる排気ガスは、外側ケース部１１Ｂよりも突出した内側ケース部１１Ａの筒壁面に当たり、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導入口１２から流路１５内に円滑に取り込まれる。さらに、流路１５内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１Ａに取り込まれ、フィルタ部材３１を通過した後に、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導出口１３から排気管１１０内に円滑に導出されるようになっている。このように、第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂでは、導入口１２と導出口１３とを、排気管１１０内で排気流速が最も速くなる軸中心ＣＬ近傍に配置したことで、フィルタ部材３１を通過する排気流量を効果的に高めることが可能になる。

［第三実施形態］
次に、図６に基づいて、第三実施形態に係るＰＭセンサの詳細について説明する。第三実施形態のＰＭセンサは、第一実施形態のセンサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。

図６（Ａ）は、第三実施形態のセンサ部６０の斜視図、図６（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備えている。

フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図６（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図６（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図６（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第三実施形態のＰＭセンサでは、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

なお、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

［その他］
本発明は、上述の各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、図７に示すように、排気管１１０に酸化触媒２１０とＤＰＦ２２０との間から分岐してＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側で合流するバイパス管１２０を接続し、第一実施形態のセンサ部３０又は、第三実施形態のセンサ部６０をバイパス管１２０内に配置して構成してもよい。

また、図８に示すように、第一実施形態（又は、第二実施形態）において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

１０ＰＭセンサ
１１ケース部材
１２導入口
１３導出口
２０台座部
２１雄ネジ部
２２ナット部
３０センサ部
３１フィルタ部材
３２，３３電極
３４電気ヒータ
４０コントロールユニット
４１フィルタ再生制御部
４２ＰＭ量推定演算部

Claims

多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材と、
筒状に形成されてその筒内に前記フィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気ガスを前記フィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材と、
前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材と、
前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気ガス中の粒子状物質量を推定する推定部と、を備えるセンサ。
前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行可能なフィルタ再生手段をさらに備え、
前記推定部は、再生インターバル間の静電容量変化量から当該再生インターバル間に前記フィルタ部材で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
請求項１に記載のセンサ。
前記推定部は、前記電極部材間の単位時間当たりの静電容量変化量に基づいて瞬時の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
請求項１に記載のセンサ。
前記ケース部材が内燃機関の排気管内に管径方向に突出して設けられると共に、前記一端開口部の開口面積が前記他端開口部の開口面積よりも小さく形成された
請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ。
前記ケース部材が内燃機関の排気管内に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集可能なフィルタ装置を迂回するバイパス管である
請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ。
前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板である
請求項１から５の何れか一項に記載のセンサ。
前記第１電極板、前記第２電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第１及び第２電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層された
請求項６に記載のセンサ。