JP2016108995A

JP2016108995A - センサ

Info

Publication number: JP2016108995A
Application number: JP2014245950A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 哲史塙; Tetsushi Hanawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストなセンサを提供する。【解決手段】内燃機関１００の排気通路１１０に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、排気通路１１０に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数対の電極３２，３３を設け、複数対の電極３２，３３間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、複数対の電極３２，３３間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定する異常判定部２をさらに備えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、センサに関し、特に、排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサに関するものである。

従来、内燃機関から排出される排気中の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。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）。

また、電気抵抗型ＰＭセンサの故障診断装置として、二個のＰＭセンサの再生時間を互いに比較し、これらセンサの再生時間の差が所定値よりも大きい場合に故障と判定するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−８３２１０号公報特開２００９−１４４５１２号公報

しかしながら、特許文献２の装置では、略同じ位置に二個のＰＭセンサを設ける必要があるため、無駄が多く高コストであるという問題がある。

また、特許文献２の装置では、センサ再生を行わなければ診断を行うことができないため、センサ再生の頻度が低い場合には、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化等を早期に検知できない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストなセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、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複数対の電極を設け、前記複数対の電極間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する複数推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、前記複数対の電極間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定する異常判定部をさらに備えたセンサである。

本発明によれば、機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストなセンサを提供できる。

（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図であり、（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。本発明の一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。（Ａ）は、本発明の一変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、そのＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。本発明の一変形例に係るＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態に係る診断装置を説明する。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（Ａ）は、本実施形態に係る診断装置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）の排気系の一例を示す概略構成図であり、図１（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。

図１（Ａ）に示すように、エンジン１００の排気通路（排気管）１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０等が設けられている。本実施形態の診断装置は、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０よりも上流側の排気通路１１０に配置して構成されている。なお、ＰＭセンサ１０の個数は限定されず、二個以上であってもよい。また、ＰＭセンサ１０の配置位置は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気通路１１０であってもよい。

次に、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。

図２に示すように、ＰＭセンサ１０は、排気通路１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気通路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、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通路１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気通路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通路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、排気通路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、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵという）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。

なお、図２では３対の電極３２，３３を示しているが、図示左右の電極３２，３３は並列に接続されているので、実際には２系統の電極３２，３３が備えられているといえる。図示していないが、ＰＭセンサ１０では、電極３２，３３が紙面方向にも配置されており多数の電極３２，３３が備えられているが、本実施形態では、複数対の電極３２，３３を２系統に分割し、同じ系統に属する電極３２，３３を並列に接続するように構成している。

複数対の電極３２，３３を分割する際には、各系統で測定される静電容量が同等となるように分割することが望ましい。なお、ここでは２系統に分割しているが、３系統以上であっても構わない。また、各系統に属する電極３２，３３の対数は１つであってもよく、少なくとも２対の電極３２，３３を備えていればよい。

電気ヒータ３４は、例えば電熱線からなる。電気ヒータ３４は、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（以下、センサ再生ともいう）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。

また、図１（Ｂ）に示すように、ＰＭセンサ１０は、センサ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２，４３と、を備えている。センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２，４３は、ＥＣＵ４０に搭載されている。なお、センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２，４３は、ＥＣＵ４０と別体に構成されたハードウェアユニットに搭載されていてもよい。

センサ再生制御部４１は、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。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、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、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。

センサ再生制御部４１は、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１の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にするセンサ再生を開始する（図３参照）。このセンサ再生は、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４２，４３は、本発明の推定手段の一例であって、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐを求めると共に、測定対象となる期間における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を推定する。

本実施形態では、電極３２，３３を２系統に分割しているため、これら両系統における静電容量ＣｐおよびＰＭ量を、第１ＰＭ量推定演算部４２と第２ＰＭ量推定演算部４３とがそれぞれ求めるように構成されている。

総ＰＭ量推定演算部４４は、本発明の推定手段の一例であって、両ＰＭ量推定演算部４２，４３で推定されたＰＭ量を足し合わせることで、ＰＭセンサ１０全体でのＰＭ量を推定する。

任意の期間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４２，４３は、数式２から算出される期間Ｔ_nのＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算する以下の数式３に基づいて、ＰＭセンサ１０のフィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をリアルタイムに演算する。

さて、ＰＭセンサ１０は、複数対の電極３２，３３間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定する異常判定部２をさらに備えている。

本実施形態では、複数対の電極３２，３３を２系統に分割しているため、異常判定部２は、各系統で測定される静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定するように構成されている。

具体的には、異常判定部２は、ＰＭ量推定演算部４２，４３から各系統の静電容量の測定値を取得し、取得した各系統の静電容量の比（出力比）を求め、当該出力比が予め設定した閾値範囲外である場合、センサ異常と判定するように構成されている。なお、これに限らず、例えば、各系統の静電容量の差の絶対値が予め設定した閾値より大きいとき、センサ異常と判定するように異常判定部２を構成してもよい。

このように、本実施形態では、複数の系統で測定される静電容量を相互に比較し、各系統で測定される静電容量が明らかに乖離している場合には、いずれかの系統に異常が発生したと判断し、センサ異常と判定するようにしている。

ＰＭはフィルタ部材３１に全体的に付着するため、同一のＰＭセンサ１０内に静電容量を測定する系統を２系統備えた場合、ＰＭセンサ１０に異常がなければ、当該２系統で測定される静電容量の乖離は一定の範囲内となる。よって、２系統で測定される静電容量の乖離がこの範囲を超えて明らかに大きくなった場合には、ＰＭセンサ１０に何らかの異常が発生したと考えられる。

異常判定部２で用いる閾値は、各系統の電極３２，３３の配置とフィルタ部材３１にＰＭが付着する際の偏りを考慮し、明らかに異常と判定できる値に設定するとよい。

ＰＭの付着の偏りによる誤判定を抑制するために、各系統の電極３２，３３はなるべく近接して配置することが望ましく、例えば、異なる系統の電極３２，３３を交互に配置するなどして、ＰＭがフィルタ部材３１に付着した際に各系統で同等の静電容量が検出されるように構成することが望ましい。

異常判定部２は、センサ異常と判定した場合、例えば、ＭＩＬ（故障警告灯）を点灯させるなどして、ドライバーにＰＭセンサ１０の異常を通知するように構成されてもよい。

なお、本実施形態では複数の電極３２，３３を２系統に分割したが、複数の電極３２，３３を３以上の系統に分割しておき、各系統のうち１つの系統で測定される静電容量のみが大きく乖離しているような場合には、残りの系統でＰＭ量の測定を継続するようにしてもよい。この場合、異常と判定した系統におけるＰＭ量を、残りの系統で測定したＰＭ量から推定して（例えば残りの系統で測定したＰＭ量の平均値と推定して）総ＰＭ量を推定するように総ＰＭ量推定演算部４４を構成すればよい。

本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態に係るＰＭセンサ１０は、排気通路１１０に配置されて排気中のＰＭを捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数対の電極３２，３３を設け、複数対の電極３２，３３間の静電容量に基づいてＰＭ量を推定する推定手段（ＰＭ量推定演算部４２，４３）を備えた静電容量式のセンサからなり、複数対の電極３２，３３間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定する異常判定部２をさらに備えている。

二個の電気抵抗型ＰＭセンサの出力値を互いに比較する従来技術では、略同じ場所に同じＰＭセンサを二個設ける必要があるために高コストであった。

これに対して、本実施形態に係るＰＭセンサ１０では、ＰＭセンサ１０が正常であれば、複数対の電極３２，３３間の静電容量の乖離が一定の範囲となることを利用し、複数対の電極３２，３３間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定している。

そのため、ＰＭセンサ１０の診断のために同じ場所に複数のＰＭセンサ１０を設ける必要がなくなり、低コストにＰＭセンサ１０の診断を実現することが可能になる。

また、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、各電極がＰＭによって互いに繋がるまでの期間は電気抵抗値が変化を示さないため、排気ガス中のＰＭ量をリアルタイムに推定できない課題がある。

これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０は、感度の良好な電極３２，３３間の静電容量変化量に基づいてＰＭ量を推定し、推定したＰＭ量を順次積算することで、排気ガス中のＰＭ量を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から排出される排気ガス中のＰＭ量を高精度且つリアルタイムに推定することができる。

また、各電極にＰＭを付着させる電気抵抗型ＰＭセンサでは、例えば、排気流量が多くなる運転状態でＰＭの一部が電極から離脱する可能性があり、ＰＭ量の推定精度を担保できない課題がある。これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０は、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集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、排気流量が多くなる運転状態においてもＰＭ量の推定精度を効果的に確保することができる。

つまり、本実施形態によれば、ＰＭ量を精度良く推定でき、機能失陥、機能劣化を早期に検知可能であり、かつ低コストなＰＭセンサ１０を実現できる。

また、本実施形態のＰＭセンサ１０では、センサ部３０を収容したケース部材１１を、その先端部を排気通路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、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、導入口１２を排気流速が速い排気通路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。

本発明は上記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種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、ＰＭセンサ１０の具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、積層タイプのセンサ部６０を用いるようにしてもよい。

センサ部６０は、上流側と下流側とを交互に目封止したセルを一方向に並列に配置した直方体状の複数のフィルタ層６１と、平板状の導電性部材からなる複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備え、第１及び第２電極板６２，６３をフィルタ層６１を挟んで交互に積層して構成される。第１及び第２電極板６２，６３は、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法がフィルタ層６１と略同一に形成されている。

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を挟持させることで、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。

積層タイプのセンサ部６０を用いる場合、各系統の電極板６２，６３を交互に配置するようにし、ＰＭの付着の偏りによる誤判定を抑制することが望ましい。また、例えば、各電極板６２，６３を幅方向に分割して、幅方向の左右で別の系統を形成するように構成してもよい。

また、図４に示すように、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。

２異常判定部
１０ＰＭセンサ（センサ）
４０ＥＣＵ
４１センサ再生制御部
４２第１ＰＭ量推定演算部（推定手段）
４３第２ＰＭ量推定演算部（推定手段）
４４総ＰＭ量推定演算部（推定手段）
１００エンジン（内燃機関）
１１０排気通路

Claims

内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、
前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、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複数対の電極を設け、前記複数対の電極間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、
前記複数対の電極間の静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定する異常判定部をさらに備えた
ことを特徴とするセンサ。
前記複数対の電極を複数の系統に分割し、同じ系統に属する前記電極を並列に接続するように構成し、
前記異常判定部は、前記複数の系統で測定される静電容量の乖離と予め設定した閾値とを比較することにより、センサ異常を判定するように構成される
請求項１記載のセンサ。
前記複数対の電極は、測定される静電容量が各系統で同等となるように、複数の系統に分割される
請求項２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、前記電極が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の電極板からなり、
各系統の前記電極が交互に配置されている
請求項２または３記載のセンサ。