JP2016008862A

JP2016008862A - センサ

Info

Publication number: JP2016008862A
Application number: JP2014128598A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 直人村澤; Naoto Murasawa; 哲史塙; Tetsushi Hanawa
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: JP6458368B2

Abstract

【課題】センサに関し、ＰＭ堆積量の推定精度を効果的に向上する。
【解決手段】多孔質性隔壁で区画されて排気中の粒子状物質を捕集する一個以上のセルＣ１を有するフィルタ層１１と、フィルタ層１１を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板１２，１３と、第１電極板１２と第２電極板１３との間の静電容量に基づいて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、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出可能な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、電極間にＰＭを確実に捕集しつつ、電極表面積を効果的に確保することで、排気ガス中に含まれるＰＭ量を高精度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一個以上のセルを有するフィルタ層と、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電極板と、前記第１電極板と前記第２電極板との間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定部とを備える。

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たものでもよい。

また、前記フィルタ層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層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、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。

本発明のセンサによれば、電極間にＰＭを確実に捕集しつつ、電極表面積を効果的に確保することで、排気ガス中に含まれるＰＭ量を高精度に推定することができる。

本実施形態の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。（Ａ）は、本実施形態に係るＰＭセンサの模式的な斜視図、（Ｂ）は、本実施形態に係るＰＭセンサの模式的な分解斜視図である。本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。本実施形態に係るマップの一例を示す図である。本実施形態に係るＰＭセンサの一部を示す模式的な側面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るセンサを説明する。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。

図１は、本実施形態のＰＭセンサ１０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には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０を配置した排気後処理装置２００が介設されている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、排気後処理装置２００よりも上流側（符号Ａ参照）、排気後処理装置２００よりも下流側（符号Ｂ参照）又は、排気後処理装置２００を迂回するバイパス通路１３０（符号Ｃ参照）の何れに設けてもよい。

次に、本実施形態のＰＭセンサ１０の詳細構造を図２に基づいて説明する。図２（Ａ）はＰＭセンサ１０の斜視図、図２（Ｂ）はＰＭセンサ１０の分解斜視図をそれぞれ示している。ＰＭセンサ１０は、複数のフィルタ層１１と、複数枚の第１及び第２電極板１２，１３と、コントロールユニット４０とを備えている。

フィルタ層１１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２（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ＰＭセンサ１０Ａの長さ方向（図２（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をＰＭセンサ１０Ａの幅方向（図２（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板１２，１３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１１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板１２，１３は、フィルタ層１１を挟んで交互に積層されている。すなわち、第１電極板１２と第２電極板１３とを対向配置し、これら電極板１２，１３間にフィルタ層１１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。なお、図２（Ａ）中の符号１２Ａ，１３Ａは、第１電極板１２及び第２電極板１３をそれぞれ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接続する導電線を示している。

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、各電極板１２，１３に電圧を直接印加してセルＣ１内のＰＭを燃焼除去するフィルタ再生制御を実行する。電極板１２，１３間の静電容量Ｃｐは、電極板１２，１３間の媒体の誘電率ε、電極板１２，１３の表面積Ｓ、電極板１２，１３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、電極板１２，１３の表面積Ｓは一定であり、セルＣ１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、電極板１２，１３間の静電容量ＣｐとセルＣ１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、電極板１２，１３間の静電容量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、各電極板１２，１３に電圧を直接印加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間にセルＣ１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１０を排気後処理装置２００よりも上流側（図１の符号Ａ参照）又は、バイパス通路１３０（図１の符号Ｃ参照）の何れに設ければ、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１０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１０は、排気ガス中のＰＭをフィルタ層１１のセルＣ１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１０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１０を排気後処理装置２００よりも上流側又はバイパス通路１３０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１０を排気後処理装置２００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、本実施形態のＰＭセンサ１０は、図５に示すように、フィルタ層１１を平板状の第１及び第２電極板１２，１３で挟み込み、これらを交互に積層したことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。その結果、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できる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されるため、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することが可能となり、排気ガス中のＰＭ量を高精度に推定することができる。

なお、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、第１電極板１２とフィルタ層１１との間又は、第２電極板１３とフィルタ層１１との間にヒータ基板を挿入し、フィルタ再生を行う場合はヒータ基板に電圧を印加するように構成してもよい。また、セルＣ１，Ｃ２の流路断面形状は、図示例の矩形状に限定されず、三角形状等の他の形状であってもよい。

１０ＰＭセンサ
１１フィルタ層
１２第１電極板
１３第２電極板
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一個以上のセルを有するフィルタ層と、
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電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定部と、を備えるセンサ。
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１に記載のセンサ。
前記フィルタ層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層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又は２に記載のセンサ。
前記推定部は、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又は２に記載のセンサ。