JP2016161542A - センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＰＭ堆積量を正確に求めることが可能なセンサを提供する。【解決手段】フィルタ部材１６に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Ａ，Ｂを設けたセンサ部８と、電極Ａ，Ｂ間の静電容量に基づいてフィルタ部材１６に捕集される粒子状物質の堆積量を推定する推定手段１０１と、センサ部８の温度を検出する温度検出手段１０２と、を備え、推定手段１０１は、温度検出手段１０２で検出したセンサ部８の温度に応じて電極Ａ，Ｂ間の抵抗とインピーダンスとをそれぞれ補正し、補正後の電極Ａ，Ｂ間の抵抗とインピーダンスから求めた静電容量を基に、粒子状物質の堆積量を推定するように構成される。【選択図】図２

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。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のＰＭを捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。一般的に、ＤＰＦは、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形成する多数のセルを備え、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成される。
ＤＰＦのＰＭ捕集量には限度があるため、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これら堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆる強制再生が必要になる。そのため、強制再生の制御には、ＰＭ堆積量を精度良く測定することが望まれる。
例えば、特許文献１には、排気下流側が目封止された測定用セルを挟んで対向する一対のセルに一対の電極をそれぞれ挿入し、これら電極間で形成されるコンデンサの静電容量に基づいてＰＭ堆積量を検出するＰＭセンサが開示されている。
特開２０１２−２４１６４３号公報 特開２０１４−０５５８２０号公報
しかしながら、上述の従来のＰＭセンサでは、静電容量の検出値が温度に依存し変化するため、ＰＭ堆積量を正確に求めることができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＰＭ堆積量を正確に求めることが可能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少なくとも一対の電極を設けたセンサ部と、前記電極間の抵抗とインピーダンスとを基に静電容量を求め、求めた静電容量に基づいて前記フィルタ部材に捕集される粒子状物質の堆積量を推定する推定手段と、を備えた静電容量式のセンサからなり、前記センサ部の温度を検出する温度検出手段を備え、前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した前記センサ部の温度に応じて前記電極間の抵抗とインピーダンスとをそれぞれ補正し、補正後の前記電極間の抵抗とインピーダンスから求めた静電容量を基に、粒子状物質の堆積量を推定するように構成されるセンサである。
本発明によれば、ＰＭ堆積量を正確に求めることが可能なセンサを提供できる。
本発明の一実施形態に係るセンサ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る。 （ａ）はセンサ部を排気下流側から視た模式的な斜視図、（ｂ）はセンサ部の一部を排気下流側から視た模式的な平面図である。 本発明において、静電容量Ｃｐの温度特性の一例を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係るセンサ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は、本実施形態に係るセンサ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る。
図１に示すように、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。
排気通路１２には、排気上流側から順に、排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４が設けられている。
排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。なお、ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うものであり、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。
排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。
酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミックス製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、ＤＰＦ１６の強制再生時に、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ１６はＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温されて、堆積したＰＭが燃焼除去される。
ＤＰＦ１６は、本発明のフィルタ部材を構成するものであり、排気通路１２に配置されて排気中のＰＭを捕集するセルを含む。ＤＰＦ１６は、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形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。
ＤＰＦ１６の近傍の上流側には、ＤＰＦ入口温度センサ３１が配置され、ＤＰＦ１６の近傍の下流側には、ＤＰＦ出口温度センサ３２が配置されている。ＤＰＦ入口温度センサ３１は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、ＤＰＦ入口温度）を検出するものであり、本発明の温度検出手段１０２を構成するものである。ＤＰＦ出口温度センサ３２は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、ＤＰＦ出口温度）を検出するものである。これらＤＰＦ入口温度及びＤＰＦ出口温度は、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。
図２に示すように、ＤＰＦ１６には、排気上流側が解放（排気下流側が目封止）された複数のセル１が、静電容量の測定用として選定されている（以下、セル１を測定用セルという）。
また、測定用セル１に隔壁を介して隣接する４つのセル２〜５のうち、測定用セル１を挟んで対向する一対のセル２，３には、コンデンサを形成する一対の電極Ａ，Ｂがそれぞれ挿入されている（以下、セル２，３を電極用セルという）。
さらに、測定用セル１を挟んで対向し、且つ電極Ａ，Ｂが挿入されない一対のセル４，５には、セル４，５内の排気流路を閉塞する閉塞部材（図示せず）が設けられている（以下、セル４，５を閉塞用セルという）。
閉塞用セル４，５内に設けられる閉塞部材は、例えばＤＰＦ１６と同一材料のセラミックスで形成されている。閉塞部材は、閉塞用セル４，５の目封止側から非目封止側に至る排気流路を全て塞ぐように、閉塞用セル４，５内の全領域に埋設されている。なお、閉塞部材は必ずしも、閉塞用セル４，５内の全領域に埋設される必要はなく、閉塞用セル４，５内の流路の一部を閉塞（例えば、非目封止側を目封止）するように設けてもよい。
このように、ＤＰＦ１６では、測定用セル１に流入した排気ガスは、閉塞用セル４，５に流れ込むことなく、電極用セル２，３へと流れ込むように構成されている。これにより、測定用セル１に流入した排気ガス中のＰＭは、電極用セル２，３側の隔壁表面に捕集され、閉塞用セル４，５側の隔壁への堆積が効果的に抑制される。
電極Ａ，Ｂは、例えば導電性の金属線であって、排気上流側を目封止された電極用セル２，３に非目封止側（排気下流側）から挿入されてコンデンサを形成する。電極用セル２に挿入された電極Ａは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属部材で形成された接続線４１によって互いに接続されている。同様に、電極用セル３に挿入された電極Ｂは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属部材で形成された接続線４２によって互いに接続されている。
本実施形態において、ＤＰＦ１６からの電極Ａの突出量は、接続線４１と接続線４２との接触を回避するために、電極Ｂの突出量よりも長く設定されている。なお、これら突出量は、必ずしも電極Ａを長くする必要はなく、電極Ｂを長く設定することもできる。以下、フィルタ部材であるＤＰＦ１６に、一対の電極Ａ，Ｂを設けたものをセンサ部８と呼称する。
次に、本実施形態に係るセンサ１００について説明する。
本実施形態に係るセンサ１００は、上述のセンサ部８と、電極Ａ，Ｂ間の静電容量に基づいてＤＰＦ１６に捕集されるＰＭの堆積量（ＰＭ堆積量）を推定する推定手段１０１と、を備えた静電容量式のセンサからなる。
推定手段１０１は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２と、を備えている。静電容量演算部２１とＰＭ堆積量推定部２２は、ＥＣＵ２０に搭載されている。なお、静電容量演算部２１とＰＭ堆積量推定部２２は、ＥＣＵ２０以外のハードウェアユニットに搭載されていてもよい。
静電容量演算部２１は、電極Ａ，Ｂ間の静電容量Ｃｐを演算するものである。静電容量演算部２１は、電極Ａ，Ｂ間に直流電圧を印加して電極Ａ，Ｂ間の抵抗Ｒｐ（コンデンサの内部抵抗値）を測定すると共に、電極Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加して電極Ａ，Ｂ間のインピーダンスＺを測定し、以下の数式１により静電容量Ｃｐを演算する。静電容量演算部２１における静電容量Ｃｐの演算の詳細については、後述する。
Figure 2016161542
ＰＭ堆積量推定部２２は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃｐに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量を推定する。ＰＭ堆積量の推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
さて、本実施形態に係るセンサ１００は、センサ部８の温度を検出する温度検出手段１０２をさらに備えている。
本実施形態では、温度検出手段１０２は、ＤＰＦ１６の近傍に設けられた温度センサとしてのＤＰＦ入口温度センサ３１と、ＤＰＦ入口温度センサ３１の検出値（ここではＤＰＦ入口温度）を基に、センサ部８の温度を推定する温度推定部２５と、を備えている。つまり、本実施形態では、ＤＰＦ入口温度からセンサ部８の温度を推定するように温度検出手段１０２を構成している。なお、温度検出手段１０２の具体的な構成はこれに限定されるものではなく、例えば、ＤＰＦ１６内部に熱電対を設けるなどして、センサ部８の温度を直接測定するように構成してもよい。
また、本実施形態では、推定手段１０１である静電容量演算部２１は、温度検出手段１０２で検出したセンサ部８の温度に応じて電極Ａ，Ｂ間の抵抗ＲｐとインピーダンスＺとをそれぞれ補正し、補正後の電極Ａ，Ｂ間の抵抗ＲｐとインピーダンスＺから静電容量Ｃｐを求めるように構成されている。ＰＭ堆積量推定部２２は、補正後の電極Ａ，Ｂ間の抵抗ＲｐとインピーダンスＺを基に演算した静電容量Ｃｐに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量を推定するように構成される。
静電容量演算部２１は、電極Ａ，Ｂ間の抵抗Ｒｐの温度補正を行う抵抗補正部２３と、電極Ａ，Ｂ間のインピーダンスＺの温度補正を行うインピーダンス補正部２４と、を備えている。
抵抗補正部２３は、予め作成したセンサ部８の温度と抵抗用補正係数との関係を表すマップ（あるいは特性曲線）を備えており、当該マップをセンサ部８の温度で参照して抵抗用補正係数を求め、求めた抵抗用補正係数を抵抗Ｒｐの測定値に掛け合わせることで、抵抗Ｒｐの温度補正を行うように構成される。センサ部８の温度と抵抗用補正係数との関係を表すマップとしては、実験等により予め作成されたものを用いるとよい。
同様に、インピーダンス補正部２４は、予め作成したセンサ部８の温度とインピーダンス用補正係数との関係を表すマップ（あるいは特性曲線）を備えており、当該マップをセンサ部８の温度で参照してインピーダンス用補正係数を求め、求めたインピーダンス用補正係数をインピーダンスＺの測定値に掛け合わせることで、インピーダンスＺの温度補正を行うように構成される。センサ部８の温度とインピーダンス用補正係数との関係を表すマップとしては、実験等により予め作成されたものを用いるとよい。なお、インピーダンスＺは抵抗Ｒｐの温度特性と静電容量Ｃｐの温度特性の両者を含むことになるので、この両者の温度特性を考慮してインピーダンス用補正係数が設定される。
電極Ａ，Ｂ間に形成されるコンデンサは、内部抵抗（抵抗Ｒｐ）を含んでおり、静電容量Ｃｐのみならず、内部抵抗も温度特性を有していることが確認されている。したがって、内部抵抗の温度特性を考慮せずに静電容量Ｃｐの温度補正を行うのみでは、正確な静電容量Ｃｐを得ることができず、正確なＰＭ堆積量を求めることはできない。
本実施形態では、温度補正後の抵抗ＲｐとインピーダンスＺとを基に静電容量Ｃｐの演算を行っているため、内部抵抗の温度特性と静電容量の温度特性の両者を考慮して、正確な静電容量Ｃｐを求めることが可能であり、正確なＰＭ堆積量を求めることが可能になる。
以上説明したように、本実施形態に係るセンサ１００では、センサ部８の温度を検出する温度検出手段１０２を備え、推定手段１０１は、温度検出手段１０２で検出したセンサ部８の温度に応じて電極Ａ，Ｂ間の抵抗ＲｐとインピーダンスＺとをそれぞれ補正し、補正後の電極Ａ，Ｂ間の抵抗ＲｐとインピーダンスＺから求めた静電容量Ｃｐを基に、ＰＭ堆積量を推定するように構成されている。
このように構成することで、センサ部８の温度の影響を受けることなく、正確にＰＭ堆積量を推定することが可能になる。
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、上記実施形態では言及しなかったが、図３に示すように、ＰＭ自体も温度特性を有しており、静電容量ＣｐにはＤＰＦ１６を構成する材質の温度特性のみならず、ＰＭ自体の温度特性も影響を与えると考えられる。そこで、ＰＭの温度特性による影響も補償できるように推定手段１０１を構成してもよい。例えば、測定した静電容量Ｃｐとセンサ部８の温度とにより参照される補正係数マップを備え、補正係数マップで得た補正係数を静電容量Ｃｐに掛け合わせることで、ＰＭの温度特性による影響を補償することが考えられる。
また、上記実施形態では、ＤＰＦ１６は、排気通路１２内に測定用セル１の非目封止側を排気上流側に向けて配置されるものとして説明したが、測定用セル１の目封止側を排気上流側に向けて配置してもよい。また、閉塞用セル４，５の閉塞部材を省略して構成してもよい。
また、図４に示すように、酸化触媒１５よりも下流側の排気通路１２から分岐するバイパス通路１８を設け、このバイパス通路１８内に容量を小さくした計測用のＤＰＦ１６を配置して構成してもよい。この場合、分岐部よりも下流側の排気通路１２には容量の大きいＤＰＦ１７（第２のフィルタ部材）を設けるとよい。また、計測用のＤＰＦ１６の強制再生を実行する場合は、電極Ａ，Ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
８ センサ部
１０ エンジン（内燃機関）
１２ 排気通路
１６ ＤＰＦ（フィルタ部材）
２１ 静電容量演算部
２２ ＰＭ堆積量推定部
２３ 抵抗補正部
２４ インピーダンス補正部
１００ センサ
１０１ 推定手段
１０２ 温度検出手段
Ａ，Ｂ 電極

Claims (4)

  1. 内燃機関の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少なくとも一対の電極を設けたセンサ部と、前記電極間の抵抗とインピーダンスとを基に静電容量を求め、求めた静電容量に基づいて前記フィルタ部材に捕集される粒子状物質の堆積量を推定する推定手段と、を備えた静電容量式のセンサからなり、
    前記センサ部の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した前記センサ部の温度に応じて前記電極間の抵抗とインピーダンスとをそれぞれ補正し、補正後の前記電極間の抵抗とインピーダンスから求めた静電容量を基に、粒子状物質の堆積量を推定するように構成される
    ことを特徴とするセンサ。
  2. 前記推定手段は、
    前記センサ部の温度と、予め作成した前記センサ部の温度と抵抗用補正係数との関係とを基に抵抗用補正係数を求め、求めた抵抗用補正係数を前記電極間の抵抗の測定値に掛け合わせ補正を行う抵抗補正部と、
    前記センサ部の温度と、予め作成した前記センサ部の温度とインピーダンス用補正係数との関係とを基にインピーダンス用補正係数を求め、求めたインピーダンス用補正係数を前記電極間のインピーダンスの測定値に掛け合わせ補正を行うインピーダンス補正部と、を備える
    請求項１記載のセンサ。
  3. 前記フィルタ部材は、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数の前記セルの上流側と下流側とを交互に目封止されたディーゼルパティキュレートフィルタからなり、
    前記一対の電極は、少なくとも一つの前記セルを測定用セルとし、当該測定用セルに隔壁を介して隣接する四つのセルのうち、対向する一対のセルに非目封止側からそれぞれ挿入される
    請求項１または２記載のセンサ。
  4. 前記温度検出手段は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの近傍に設けられた温度センサと、前記温度センサの検出値を基に、前記センサ部の温度を推定する温度推定部と、を備える
    請求項３記載のセンサ。
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