JP2016028231A - 粒子検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
中の粒子で、予め電極の表面上に粒子が付着したPM塊(PM構造体(particulate matter structures))を形成した上で、被測定ガスを流し、電極に高電圧を印加することにより、電極間を移動する帯電したPM塊を用いて、粒子を検知する粒子検知システムが開示されている。
粒子検知システムをディーゼルエンジンで使用する場合には、排ガス中に酸素ガスがある程度含まれている(残っている)ため、煤などの付着粒子をヒータで加熱して燃やして除去するタイミングに特段の制約は無かった。
しかしながら、ガソリンエンジンでは、理論空燃比での燃焼が基本となるため、例えば空燃比が理論空燃比に対してリッチの場合、排ガス中に酸素がほとんど存在しない。このような排ガス中では、たとえヒータを発熱させても、付着粒子(煤など)を燃焼させることができない。
加えて、いつでも付着粒子を燃焼させることができるように、ヒータを常時通電しておくと、ヒータにおける無駄なエネルギー消費(電力消費)が生じる。
燃焼可能期間の検知手法としては、外部のエンジン制御ユニット(ECU)から出力されるフューエルカット期間などの燃焼可能期間を示す信号を検知する手法や、被測定ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサの出力を利用して、所定の酸素濃度以上の燃焼可能期間を検知する手法が挙げられる。つまり、期間検知手段は、帯電部に付着した付着粒子が燃える濃度の酸素ガスが被測定ガス中に存在する燃焼可能期間を検知する構成になっていると良い。
このシステムでは、外部からの燃焼可能信号に従ってヒータ部への通電を切り換えるので、適切なタイミングでヒータ部に通電して、帯電部に付着した付着粒子を確実に燃やして除去することができる。
なお、このような燃焼可能信号としては、例えば、前述した内燃機関のフューエルカット期間やアイドリングストップ期間、リーンバーン運転期間などの燃焼可能期間であることを示すECUからの信号が挙げられる。
また、ヒータ部への通電の切り換え手法としては、燃焼可能信号に従ってヒータ部への通電のオンとオフとを切り換える手法のほか、燃焼可能信号に従って燃焼可能期間には電力を大きく、燃焼可能期間外には電力を小さくするように、ヒータ部へ通電する電力の大小(実効電圧の大小,デューティ比の大小)を切り換える手法も挙げられる。
また、このシステム1は、センサ本体10と、回路部190と、これらを接続する電線165〜168とからなる。
センサ本体10は、排気管EPに固設され、その先端側の一部が排気管EP内に配置されて、排気ガスEGに接触する(図3参照)。
回路部190は、電線165〜168を介してセンサ本体10に接続されており、センサ本体10を駆動するとともに、後述する信号電流Isを検知する回路を有している。
電線165〜168のうち、電線165,166は、三重同軸ケーブル(トライアキシャルケーブル)であり、電線167,168は、細径で単芯の絶縁電線である。このうち、電線165は、芯線(中心導体)として放電電位リード線161を含み、電線166は、芯線(中心導体)として補助電位リード線162を含む。また、電線167は、芯線として第1ヒータリード線163を含み、電線168は、芯線として第2ヒータリード線164を含む(図2,図3参照)。
このうち、イオン源電源回路210は、センサGND電位SGNDとされる第1出力端211と、放電電位PV2とされる第2出力端212とを有している。第2出力端212は、放電電位リード線161に接続され、放電電位PV2は、具体的には、センサGND電位SGNDを基準として、正の高電位とされている。なお、イオン源電源回路210は、その出力電流についてフィードバック制御され、自律的に、その実効値が予め定めた電流値(例えば、5μA)を保つ定電流電源を構成している。
なお、本実施形態では、この内側回路ケース250は、イオン源電源回路210、補助電極電源回路240及び絶縁トランス270の二次側鉄心271Bを収容して包囲すると共に、イオン源電源回路210の第1出力端211及び補助電極電源回路240の補助第1出力端241に導通して、センサGND電位SGNDとされている。また、イオン源電源回路210の第1出力端211及び補助電極電源回路240の補助第1出力端241は、電線165,166の同軸二重の外部導体165G,166Gのうち、センサGND電位SGNDとされる内側の外部導体165G1,166G1に導通している。
なお、本実施形態では、この外側回路ケース260は、内部にイオン源電源回路210、補助電極電源回路240、内側回路ケース250、信号電流検知回路230とヒータ通電回路226とを含む計測制御回路220及び絶縁トランス270の一次側鉄心271Aを収容して包囲している。さらに、この外側回路ケース260は、電線165,166の同軸二重の外部導体165G,166Gのうち、シャーシGND電位CGNDとされる外側の外部導体165G2,166G2に導通している。
また、計測制御回路220は、マイクロプロセッサ202を含み、通信線CCを介して(具体的には、図1に示すようにCANバスを通じて)エンジンENGを制御する制御ユニットECUと通信可能となっており、前述した信号電流検知回路230の測定結果(信号電流Isの大きさ)、または、これを粒子量などに換算した値などを、ECUに送信可能となっている。さらに、計測制御回路220には、ECUから出力される粒子検知開始の指示信号ST及びフューエルカット信号FC(後述する)が、通信線CC(CANバス)を介して入力される。マイクロプロセッサ202は、これらの信号を検知可能になっている。
センサ本体10は、長手方向HNに延びる板状で、気中放電により、イオンを生成する
セラミック素子100を備える。このほか、このセラミック素子100を絶縁しつつ保持し、かつ、センサGND電位SGNDとされる主体金具50及びこれに結合する部材、主体金具50等と絶縁し、かつ、これらを囲んで保持し、排気管EPに取り付けられて、シャーシGND電位CGNDとされる取り付け金具90及びこれに結合する部材等を備える。
取り付け金具90の後端側GKには、金属製で筒状の外筒95がレーザ溶接されている。
さらに、内側プロテクタ45の先端部分には、取り入れた排気ガスEG(被測定ガス)を排出するための丸型の排出口45Oが形成されており、この排出口45Oを含む内側プロテクタ45の先端部分は、外側プロテクタ40の先端部分の開口43から外部に突出している。
図7において、排気ガスEGは、排気管EP内を、図中、左から右に向けて流通しており、この排気ガスEGが、センサ本体10の外側プロテクタ40及び内側プロテクタ45の周囲を通ると、いわゆるベンチュリ効果により、排出口45O付近に負圧が生じる。すると、この負圧により、内側プロテクタ45内に取り入れられた取入排気ガスEGIが排出口45Oから排出され、これと共に、外側プロテクタ40の外側導入孔40I周囲の排気ガスEGが、この外側プロテクタ40の外側導入孔40I及び内側プロテクタ45の内側導入孔45Iを通じて、内側プロテクタ45内に取り入れられる。
また、絶縁ホルダ70の後端側GKには、絶縁体からなる第1セパレータ71が、さらに、その後端側GKには、同じく絶縁体からなる第2セパレータ72が、長手方向HNに並んで配置され、いずれも内筒80の内側に収容されている。
なお、第1セパレータ71の挿通孔71c内において、放電電位端子73は、セラミック素子100の後述する放電電位パッド113(図5,図6参照)に接触している。また、第2セパレータ72の第2挿通孔72b内において、補助電位端子75は、セラミック素子100の補助電位パッド125に、第1ヒータ端子76は、セラミック素子100の第1ヒータパッド136に、第2ヒータ端子77は、セラミック素子100の第2ヒータパッド137に、それぞれ接触している。
なお、電線165,166の外部導体165G,166Gのうち、内側の外部導体165G1,166G1は、センサGND接続金具82に導通している。これにより、センサGND接続金具82に導通する内筒80、主体金具50、内側プロテクタ45及び外側プロテクタ40は、いずれもセンサGND電位SGNDとされている。
このシャーシGND接続金具83は、外筒95の小径部96と共に加締めによって径方向内側に縮径され、グロメット84及びシャーシGND接続金具83は、外筒95の小径部96内に固定されている。これにより、排気管EP及び取付用ボスBOに導通する取り付け金具90、外筒95及びシャーシGND接続金具83は、いずれもシャーシGND電位CGNDとされる。また、このシャーシGND電位CGNDは、前述したように、車両AMに搭載されたバッテリBT(図2参照)のGND電位と共通にされている。
さらに具体的には、セラミック基体101は、アルミナグリーンシート由来のアルミナからなる3つのセラミック層102,103,104が重なっており、これらの層間に印刷により形成されたアルミナからなる2つの絶縁被覆層105,106が介在している。そして、絶縁被覆層105とセラミック層103の間に放電電極体110が配置されている。また、セラミック層103と絶縁被覆層106の間に補助電極体120が、絶縁被覆層106とセラミック層104の間にヒータ部130が、それぞれ配置されている。そして、これらが一体化してセラミック素子100が形成されている。
放電電極体110のうち、リード部111と、このリード部111が接続する針状電極部112のうち後端側GKの埋設部112Aとは、絶縁被覆層105及びセラミック層102で被覆されて、セラミック基体101内に、具体的には、セラミック層102とセラミック層103の層間に埋設されている。
また、ヒータリード部132,133は、その後端側GKの端部134,135から、セラミック層104を貫通するスルーホール104h2を通じて、セラミック層104の他方の表面104S2上に形成された第1ヒータパッド136及び第2ヒータパッド137に、それぞれ導通している。
セラミック素子100のうち、放電電極体110、補助電極体120及びヒータ部130は、それぞれ、前述した放電電位リード線161、補助電位リード線162、第1ヒータリード線163及び第2ヒータリード線164を通じて、図3において図示外の回路部190(図1,図2参照)に接続されている。また、電線165,166の内側の外部導体165G1,166G1も、回路部190のうち、イオン源電源回路210の第1出力端211及び補助電極電源回路240の補助第1出力端241に接続され、センサGND電位SGNDとされている。そして、これに導通するセンサGND接続金具82等を介して、セラミック素子100の先端側GSの部位(イオン源15)の周囲に配置された内側プロテクタ45も、前述したように、センサGND電位SGNDとされている。
しかしながら、本実施形態のシステム1は、エンジンENGとして、直噴式のガソリンエンジンを搭載した車両AMに用いられている。前述したように、ガソリンエンジンでは、理論空燃比での燃焼が基本となるため、例えば空燃比が理論空燃比に対してリッチの場合、排気ガスEG中に酸素がほとんど存在しない。そして、このように酸素がほとんど存在しない排気ガスEG中では、たとえヒータ部130を発熱させても、イオン源15に付着した煤を燃焼させ難い。
加えて、いつでも煤を燃焼させることができるように、ヒータ部130を常時通電しておくと、ヒータ部130における無駄なエネルギー消費(電力消費)が生じる。
フューエルカット期間には、エンジンENGへの燃料供給が停止されることにより、排気管EP内に、燃焼ガスではなく大気(外気)が流通する。従って、排気ガスEG中には煤が燃える濃度の酸素ガスが存在している。このため、このフューエルカット期間にヒータ部130に通電して、イオン源15を煤が燃える温度に昇温させることにより、イオン源15に付着した付着粒子SA(煤)を適切に燃やして除去することができる。
まず、図9に示す粒子検知ルーチンについて説明する。
エンジンENGのキースイッチ(図示しない)がONにされると、本システム1(計測制御回路220のマイクロプロセッサ202)が起動され、まず、ステップS1で、粒子検知に必要な初期設定がなされる。その後、ステップS2において、ECUからの粒子検知開始の指示信号ST(図2参照)の有無を検知する。
マイクロプロセッサ202が起動されると、まず、ステップS11で、ヒータ通電に必要な初期設定がなされる。
その後、ステップS14に進み、エンジンENGのキースイッチがOFFになったか否かを判断する。そして、エンジンENGのキースイッチがOFFになっていない場合(No)には、ステップS12に戻り、再度、フューエルカット信号FCの入力を検知して、ヒータ通電の処理を継続する。一方、エンジンENGのキースイッチがOFFになった場合(Yes)には、ヒータ通電の処理を終了する。
また、このヒータ通電制御手段のうち、ステップS13を実行しているマイクロプロセッサ202及びヒータ通電回路226が、ヒータ部130への通電を切り換える通電切換手段に相当する。
また、ガソリンエンジン搭載車に本システム1を適用した本実施形態でも、煤(付着粒子SA)を適切に除去して、センサ本体10における検知性能を維持することが可能になる。
また、フューエルカット期間であることを示すECUからのフューエルカット信号FCによって、燃焼可能期間を知ることができるので、イオン源(帯電部)に付着した煤(付着粒子SA)を適切に燃やして除去することができる。
例えば、実施形態では、粒子Sを帯電した帯電粒子SCとする帯電部が、気中放電によりイオンCPを生成するイオン源15である粒子検知システムに適用した例を示した。しかし、センサ本体の帯電部はこれに限られない。例えば、電極の表面上に粒子を付着させて、電極に高電圧を印加することにより、粒子Sを帯電した帯電粒子SCとする帯電部をセンサ本体に有する粒子検知システムに適用しても良い(特許文献2,3参照)。この場合、ヒータ部としては、例えば、帯電部のうち、粒子が付着する電極を加熱するものが挙げられる。
また、ハイブリッド車の場合には、エンジンを停止させ、モータで走行している期間を示す信号を、検知するようにしても良い。モータで走行している期間は、エンジンが停止しており、排気管EP内に燃焼ガスではなく大気(外気)が流通する。このため、モータで走行している期間も燃焼可能期間に該当するからである。
マイクロプロセッサ202が起動されると、上記実施形態の処理と同様のステップS11,S12が各々実行される。そして、この変形例では、ステップS12にてフューエルカット信号FCが入力されている場合(Yes)、即ち、フューエルカット期間である場合には、ステップS16に進み、ヒータ通電フラグが「1」に設定されているか否かを判断する。ステップS16にてヒータ通電フラグが「1」に設定されていると判断されない場合(No)、即ち、ヒータ通電フラグが「0」に設定されている場合には、ステップS13に進み、ヒータ部130への通電処理が実行(開始)される。なお、このステップS13の処理は、上記実施形態と同様である。
ENG エンジン(内燃機関)
EP 排気管
EG 排気ガス(被測定ガス)
CGND シャーシGND電位(第2ヒータ電位)
SGND センサGND電位
PV2 放電電位
PV3 補助電位
PVht 第1ヒータ電位
S 粒子
SC 帯電粒子
SA 付着粒子
CP イオン
CPF 浮遊イオン
GS 先端側
GK 後端側
HN 長手方向
1 粒子検知システム
10 センサ本体
11 帯電部
15 イオン源
40 外側プロテクタ
45 内側プロテクタ
50 主体金具
71 第1セパレータ
72 第2セパレータ
73 放電電位端子
75 補助電位端子
76 第1ヒータ端子
77 第2ヒータ端子
80 内筒
90 取り付け金具
95 外筒
100 セラミック素子
100K (セラミック素子の)後端部
101 セラミック基体
110 放電電極体
120 補助電極体
130 ヒータ部
190 回路部
210 イオン源電源回路
220 計測制御回路
226 ヒータ通電回路(ヒータ通電制御手段,通電切換手段)
230 信号電流検知回路
240 補助電極電源回路
FC フューエルカット信号
S13,S15 期間検知手段,信号検知手段
S14〜S16 ヒータ通電制御手段
S14,S16 通電切換手段
Claims (5)
- 被測定ガス中に含まれる粒子を帯電した帯電粒子とする帯電部を有するセンサ本体を備え、上記帯電粒子を用いて、上記被測定ガス中の上記粒子を検知する粒子検知システムであって、
上記センサ本体は、
上記帯電部の少なくとも一部を加熱するヒータ部を有し、
上記帯電部に付着した付着粒子を燃やす酸素ガスが上記被測定ガス中に存在する燃焼可能期間を検知する期間検知手段と、
上記燃焼可能期間に上記ヒータ部に通電して、上記帯電部の少なくとも一部を、上記付着粒子が燃える温度に昇温させるヒータ通電制御手段と、を備える
粒子検知システム。 - 請求項1に記載の粒子検知システムであって、
前記帯電部は、
気中放電によりイオンを生成するイオン源を含み、生成した上記イオンを前記被測定ガス中を浮遊する前記粒子に付着させ帯電させて前記帯電粒子とし、
前記ヒータ部は、
上記帯電部のうち、上記イオン源の少なくとも一部を加熱する
粒子検知システム。 - 請求項1または請求項2に記載の粒子検知システムであって、
前記期間検知手段は、
外部からの、前記燃焼可能期間であることを示す燃焼可能信号の入力を検知する信号検知手段であり、
前記ヒータ通電制御手段は、
検知した上記燃焼可能信号に従って前記ヒータ部への通電を切り換える通電切換手段を有する
粒子検知システム。 - 請求項3に記載の粒子検知システムであって、
前記被測定ガスは、内燃機関の排気ガスであり、
前記燃焼可能信号は、
上記内燃機関がフューエルカット期間、アイドリングストップ期間またはリーンバーン運転期間であることを示す信号である
粒子検知システム。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか1稿に記載の粒子検知システムであって、
前記ヒータ通電制御手段は、上記燃焼可能期間に上記ヒータ部への通電を開始してから、上記通電を継続している時間が所定時間を経過した場合に当該通電を中止する通電中止手段を有する
粒子検知システム。
Priority Applications (3)
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