JP2017173052A - 粒子状物質検出装置及び内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転条件の影響による捕集効率の低下を抑制し、全ガス流速域で検出感度を向上させた粒子状物質検出装置を提供すること。【解決手段】被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置は、互いに離間して配置された一対の電極１３、１４を有するセンサ素子１０を備え、上記一対の電極間に捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部１と、上記一対の電極間へ電圧を印加して、粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部４１と、上記一対の電極間に印加される電圧を決定する印加電圧決定部４２とを有し、上記センサ部からの出力Ｅｅに基づいて粒子状物質を検出する制御部４と、を備え、上記印加電圧決定部は、上記センサ部に導入される上記被測定ガスの流速に対応させて、上記一対の電極間における粒子状物質の捕集効率が最大となるように印加電圧を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガスに含まれる導電性の粒子状物質を検出するための粒子状物質検出装置とこれを用いた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

内燃機関から排出される排ガス中の粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）の量を検出する、電気抵抗式の粒子状物質検出センサが知られている。一般に、電気抵抗式の粒子状物質検出センサは、絶縁性基体の表面に検出電極部を露出させたセンサ素子を備え、異なる極性の一対の電極が、排ガスに晒されるように配置される。センサ素子は、一対の電極間に一定電圧が印加されることで静電場を形成し、帯電した粒子状物質を捕集する。

電気抵抗式の粒子状物質検出センサは、例えば、排ガス通路において、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）の下流側に配設されて、ＤＰＦの故障診断に用いられる。故障判定は、例えば、粒子状物質検出センサの実出力と、基準となるクライテリアＤＰＦでの予測出力とを比較することによって行われる。その場合、粒子状物質検出センサの実出力は、内燃機関の運転条件の影響を受けやすく、例えば、ガス流速の変化により捕集効率が変化して、検出感度が変化することが知られている。

特許文献１には、フィルタ下流にＰＭ検出手段を配置し、所定時期におけるＰＭ検出手段の出力信号に基づいて、フィルタの故障判定を行うシステムが開示されている。このシステムでは、ＰＭ濃度、排ガス流速、排ガス温度の少なくとも１つの条件に基づいて、これら条件がより高いか大きい場合に、ＰＭ検出手段への印加電圧を低下させる補正を行う。この補正により、所定の捕集期間におけるＰＭ捕集量の変化を、所定の許容レベルに緩和させ、検出条件が同じになるようにしている。

特開２０１５−１６９０８５号公報

しかしながら、特許文献１のシステムは、フィルタ故障時に下流に排出される粒子状物質が、予め定めた一定の捕集期間において、同じ条件でＰＭ検出手段に堆積するように、印加電圧を補正するものである。このため、タイマーでカウントされる一定の捕集期間に到達しないと、故障判定がなされず、検出感度を向上させることができない。また、検出精度を高めるには、ＰＭ濃度、排ガス流速、排ガス温度のそれぞれについて補正を行う必要があり、補正処理が複雑となりやすい。故障判定のための閾値を複数設けて、より早い時期に判定を行い、あるいは、ＰＭ濃度、排ガス流速、排ガス温度の１つのみについて補正することも可能であるが、検出感度と判定精度を両立させることは難しい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関の運転条件の影響による捕集効率の低下を抑制し、全ガス流速域で検出感度を向上させた粒子状物質検出装置を提供し、さらには、粒子状物質検出装置を用いたＤＰＦの故障診断の判定精度を向上させることで、信頼性の高い内燃機関の排ガス浄化装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
互いに離間して配置された一対の電極（１３、１４）を有するセンサ素子（１０）を備え、上記一対の電極間に捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
該センサ部の上記一対の電極間へ電圧を印加して、粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、上記一対の電極間に印加される電圧を決定する印加電圧決定部（４２）とを有し、上記センサ部からの出力（Ｅｅ）に基づいて粒子状物質を検出する制御部（４）と、を備えており、
上記印加電圧決定部は、上記センサ部に導入される上記被測定ガスの流速に対応させて、上記一対の電極間における粒子状物質の捕集効率が最大となるように、上記一対の電極間へ印加される電圧を決定する、粒子状物質検出装置にある。

また、本発明の他の態様は、
内燃機関（Ｅ）から上記被測定ガスとなる排ガスが排出される排ガス通路（Ｅ１）に粒子状物質捕集部（３）を備え、該粒子状物質捕集部の下流側に上記センサ部を配置した内燃機関の排ガス浄化装置であって、
上記制御部は、上記センサ部からの上記出力と、上記粒子状物質捕集部の基準モデルに対する上記センサ部の推定出力とを比較して、上記粒子状物質捕集部の故障判定を行う故障判定部（５）を備える、内燃機関の排ガス浄化装置にある。

上記態様の粒子状物質検出装置において、センサ部に導入される粒子状物質の量は、被測定ガスの流速によって変動する。また、センサ素子への印加電圧によっても、一対の電極間に捕集される粒子状物質の量が変化する。例えば、印加電圧が大きくなると、形成される静電場が強くなり粒子状物質を引きつける力が強くなる一方で、反発力も強くなるために、捕集量は両者のバランスによって変化する。そこで、例えば、流速範囲毎に捕集効率が最大となる印加電圧を予め設定し、これに基づいて決定された印加電圧を用いて捕集制御を行うことで、センサ部における捕集効率を最大とすることもできる。

したがって、このような粒子状物質検出装置は、センサ素子に導入される被測定ガスの流速の影響を排除し、全ガス流速域で検出感度を向上させることができる。さらに、このような粒子状物質検出装置を故障判定部に用い、センサ部の出力を、基準モデルにおける推定出力と比較することで、粒子状物質捕集部の故障判定を迅速かつ精度よく実施することができる。よって、信頼性の高い内燃機関の排ガス浄化装置を実現することができる。

実施形態１における、粒子状物質検出装置を構成する粒子状物質検出センサの一例を示す要部拡大図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置を備える内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略構成図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ素子例を示す全体斜視図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサの他の例を示す要部拡大図。 実施形態１における、粒子状物質検出センサのセンサ素子の他の例を示す全体斜視図。 実施形態１における、内燃機関の排ガス浄化装置の制御部で実行される故障診断処理のフローチャート図。 実施形態１における、内燃機関の排ガス浄化装置の制御部で実行される印加電圧決定処理のフローチャート図。 実施形態１における、排ガスの流速と粒子状物質検出装置の検出時間の関係を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置の印加電圧と検出時間の関係（例えば、１０．１ｍ/ｓ〜２０．０ｍ/ｓ）を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置の印加電圧と検出時間の関係（例えば、１０．０ｍ/ｓ以下）を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置の印加電圧と検出時間の関係（例えば、２０．１ｍ/ｓ〜３０．０ｍ/ｓ）を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置の印加電圧と検出時間の関係（例えば、３０．１ｍ/ｓ〜４０．０ｍ/ｓ）を示す図。 実施形態１における、粒子状物質検出装置の印加電圧と検出時間の関係（例えば、４０．１ｍ/ｓ以上）を示す図。 実施形態１における、排ガスの流速範囲毎に粒子状物質検出装置の印加電圧を制御したときの閾値到達時間を電圧一定のときと比較して示す図。 実施形態１における、ＮＥＤＣモードでの粒子状物質検出装置の閾値到達時間を電圧一定時と電圧制御時とで比較して示す図。 実施形態１における、内燃機関の排ガス浄化装置の制御部で実行される閾値到達推定時間算出処理のフローチャート図。 実施形態１における、内燃機関の排ガス浄化装置の制御部での故障判定に用いられるＤＰＦ故障時の検出時間とセンサ出力の関係を示す図。 実施形態１における、内燃機関の排ガス浄化装置の制御部での故障判定に用いられるＤＰＦ正常時の検出時間とセンサ出力の関係を示す図。

（実施形態１）
次に、粒子状物質検出装置及び内燃機関の排ガス浄化装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図１〜図３に示すように、粒子状物質検出装置は、被測定ガスＧに含まれる粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部としての粒子状物質検出センサ１と、粒子状物質検出センサ１からの出力に基づいて粒子状物質を検出する制御部としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）４とを備えている。ＥＣＵ４は、粒子状物質検出センサ１に制御信号を出力して、粒子状物質の捕集と検出を制御する。

図１に示すように、粒子状物質検出センサ１は、電気抵抗型のセンサ素子１０と、その外周囲を覆ってこれを保護するカバー２とを有している。被測定ガスは、カバー２の側面に設けた複数の被測定ガス流通孔２１から、カバー２内に導入され、先端面の被測定ガス流通孔２２から排出される。センサ素子１０は、カバー２の軸方向を長手方向Ｘ（すなわち、図１の上下方向）として、その先端側（すなわち、図１における下端側）の表面に、被測定ガスＧに晒される検出電極部１１を備える。検出電極部１１は、センサ素子１０に内蔵されるヒータ部Ｈによって加熱可能となっている。

図２に示すように、被測定ガスＧは、例えば、内燃機関Ｅから排出される燃焼排ガスであり、導電性を有する煤等の微小な粒子状物質を含む。内燃機関Ｅは、例えばディーゼルエンジンであり、燃焼排ガスが流通する排ガス通路Ｅ１には、粒子状物質捕集部としてのディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する）３が配置される。粒子状物質検出センサ１は、ＤＰＦ３の下流に配置され、その近傍に排ガス温度センサ５１が配置されて、ＤＰＦ３下流側における燃焼排ガスの温度を測定する。粒子状物質検出センサ１及び排ガス温度センサ５１は、先端部が排ガス通路Ｅ１内に位置するように、排ガス通路Ｅ１壁に貫通固定される。

粒子状物質検出センサ１及び排ガス温度センサ５１は、制御部である電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）４に接続されている。ＥＣＵ４には、内燃機関Ｅの回転数を検出する回転数センサ５２、アクセルペダルの動作を検出するアクセルペダルセンサ５３、さらに、内燃機関Ｅの吸気通路Ｅ２に配設されて吸気流量を検出するエアフローメータ６が接続されている。ＥＣＵ４には、図示しない入出力インターフェイスを介して、これら各種センサ５１〜５３とエアフローメータ６からの検出信号が入力され、粒子状物質検出センサ１へ制御信号を出力する。ＥＣＵ４は公知の構成で、演算処理を行うＣＰＵと、プログラム、データ等を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭを備えており、周期的にプログラムを実行して、粒子状物質検出センサ１を含む内燃機関Ｅの各部を制御する。粒子状物質検出センサ１の制御の詳細については後述する。

図３に示すように、センサ素子１０は、直方体形状の絶縁性基体１２と、該絶縁性基体１２の一側面（例えば、図３の上側面で図１の左側面）に櫛歯状に印刷形成された、一対の電極１３、１４からなる検出電極部１１とを有している。櫛歯状の電極１３、１４は、それぞれ、複数の線状電極からなり、極性の異なる線状電極が交互に平行配設されて複数の電極対を構成している。電極１３、１４は、絶縁性基体１２の先端側表面に形成され、他端側へ延びる線状のリード電極１３ａ、１４ａに接続される。絶縁性基体１２は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を、所定の直方体形状に成形、焼成して形成される。電極１３、１４、リード電極１３ａ、１４ａは、例えば、貴金属等の導電性材料からなり、スクリーン印刷等を用いて所定の櫛歯状の電極形状に形成される。

図１において、カバー２は筒状体形状で、センサ素子１０と軸方向Ｘを一致させて同軸的に配置され、先端側の側面に複数の被測定ガス流通孔２１が開口すると共に、先端面の中央に開口する被測定ガス流通孔２２を有している。カバー２は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料からなる。カバー２は、側面の複数の被測定ガス流通孔２１が、センサ素子１０の検出電極部１１に対向する位置に設けられ、排ガス通路Ｅ１内のガス流れの上流側に位置する被測定ガス流通孔２１から、被測定ガスＧが流入し、先端面の被測定ガス流通孔２２へ向かうガス流れとなる。

図４、５に示すように、粒子状物質検出センサ１は、絶縁性基体１２の先端面に、積層構造の検出電極部１１を設けたセンサ素子１０を有する構成であってもよい。センサ素子１０は、絶縁性基体１２の先端面に露出する一対の電極１３、１４が、検出電極部１１を形成している。検出電極部１１は、例えば、絶縁性基体１２となる複数の絶縁性シートの間に、電極１３、１４となる電極膜を交互に配設した積層体を焼成して形成される。このとき、絶縁性基体１２に少なくとも一部が埋設された一対の電極１３、１４の端縁部が、絶縁性基体１２の先端面に線状に露出して、交互に極性の異なる線状電極からなる複数の電極対を構成する。

積層構造のセンサ素子１０は、カバー２内に、検出電極部１１が位置する先端面が、側面の複数の被測定ガス流通孔２１より、やや基端側に位置するように配置されている。カバー２の構成は、上記図１に示した例と同様であり、側面の複数の被測定ガス流通孔２１からカバー２内に被測定ガスＧが流入し、先端面の被測定ガス流通孔２２へ向かうガス流れが形成される。このとき、被測定ガスＧの流れは、被測定ガス流通孔２２から検出電極部１１に直接向かわず、カバー２内に導入された被測定ガスＧの流れが、センサ素子１０の先端面の近傍で合流して、先端面の被測定ガス流通孔２２へ向かうガス流れとなる。

粒子状物質検出センサ１は、検出電極部１１において、一対の電極１３、１４間に粒子状物質を捕捉し、粒子状物質の量によって変化する電気的特性を検出する。その際に、センサ素子１０は、電極１３、１４を構成する電極対間の距離が小さいほど、検出感度が高くなる。一般には、電極１３、１４間の距離は、通常、５〜５００μｍの範囲で設定され、例えば、印刷形成される場合には、５０μｍ程度とすることができる。積層構造のセンサ素子１０とする場合は、絶縁体シートの厚さによって調整される電極対間の距離を、より薄くし、例えば、２０μｍ程度とすることができる。

粒子状物質検出センサ１は、センサ素子１０に内蔵するヒータ部Ｈにより、検出電極部１１を加熱して、捕集した粒子状物質を燃焼除去する。図３に示すように、センサ素子１０において、ヒータ部Ｈは、例えば、絶縁性基体１２内にヒータ電極Ｈ１とそのリード電極Ｈ２を埋設することにより構成することができる。あるいは、絶縁性基体１２の電極１３、１４が印刷形成される面と異なる面に、ヒータ電極Ｈ１とそのリード電極Ｈ２を印刷形成することもできる。積層構造のセンサ素子１０においても、ヒータ電極Ｈ１とそのリード電極Ｈ２を、絶縁性基体１２内に埋設形成し、または、絶縁性基体１２の表面に印刷形成することができる。なお、積層構造のセンサ素子１０において、検出電極部１１を先端面に形成せず、先端側の一側面に配置してもよい。その場合も、電極１３、１４となる電極膜が、絶縁性基体１２となる絶縁性シート間に配置され、絶縁性シートの厚さが電極１３、１４間の距離となる構成は同様である。

ＥＣＵ４は、粒子状物質検出センサ１に制御信号を出力して、センサ素子１０の検出電極部１１に粒子状物質を堆積させる。具体的には、図１に示すように、検出電極部１１の一対の電極１３、１４間へ電圧を印加して、粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部４１と、この一対の電極１３、１４間に印加される電圧を決定する印加電圧決定部４２とを有し、センサ素子１０からの出力Ｅｅに基づいてＰＭ捕集量を計測する。この際、ＥＣＵ４は、内燃機関Ｅの運転条件によって変化する排ガスの流速に応じて、センサ素子１０の一対の電極１３、１４間への印加電圧を決定し、検出感度を向上させる。また、センサ素子１０のヒータ部Ｈへ電力を供給して、粒子状物質が燃焼可能な温度に加熱する加熱制御部４３を有する。これにより、ＰＭ捕集に先立ってヒータ部Ｈに通電し、検出電極部１１に堆積した粒子状物質を燃焼させて、センサ素子１０を再生させることができる。

このような粒子状物質検出装置は、粒子状物質検出センサ１の出力に基づいて、上流に配置されるＤＰＦ３の故障診断を行う内燃機関の排ガス浄化装置を構成することができる。一般に、ＤＰＦ３に何らかの異常が生じて粒子状物質の捕集性能が低下した場合には、下流側に粒子状物質検出センサ１を配置して、排出される粒子状物質を速やかに検出することができる。そのために、ＥＣＵ４は、予め検出基準となる所定の閾値Ｋを設定し、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅと比較して、故障判定を行う故障判定部５を備える。具体的には、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが、所定の閾値Ｋに到達するまでの時間（すなわち、閾値到達時間Ｓ）を取得し、基準モデルとなるクライテリアＤＰＦでの推定出力が、所定の閾値Ｋに到達するまでの時間（すなわち、閾値到達時間Ｓ0）と比較することで、故障判定を行う。

次に、ＥＣＵ４によって実施されるＤＰＦ３の故障診断処理の詳細を説明する。
図６に示すように、ＤＰＦ３の故障診断処理を開始したら、まずステップＳ１において、粒子状物質検出センサ１の検出電極部１１に付着している粒子状物質を燃焼除去する、再生処理を行う。このステップＳ１は、加熱制御部４３としての処理であり、センサ素子１０に内蔵するヒータ部Ｈに通電して、検出電極部１１を加熱することにより実施される。次いで、ステップＳ２において、粒子状物質検出センサ１を、所定の温度まで冷却する。粒子状物質検出センサ１の温度は、例えば、センサ素子１０に内蔵するヒータ部Ｈのヒータ抵抗値変化等を利用して計測することができる。

その後、ステップＳ３において、検出電極部１１の一対の電極１３、１４間に印加される最適な電圧を、排ガス流速を基に決定する。ステップＳ３は印加電圧決定部４２としての処理であり、詳細は後述する。次いで、ステップＳ４に進んで、ステップＳ３で決定した印加電圧を、検出電極部１１の一対の電極１３、１４間に印加し、静電場を形成して、排ガス中のＰＭ捕集とＰＭ捕集量の計測を開始する。ステップＳ３は、捕集制御部４１としての処理である。さらに、ステップＳ５に進んで、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅを取り込み、この出力Ｅｅと予め設定した閾値Ｋを比較する。このステップＳ５において、出力Ｅｅが閾値Ｋに到達していなければ（すなわち、Ｅｅ＜Ｋ）、ステップＳ３に戻る。出力Ｅｅが閾値Ｋに到達していれば（すなわち、Ｅｅ≧Ｋ）、ステップＳ６に進む。

図７に示すように、ステップＳ３では、内燃機関Ｅの運転条件に応じて、ＰＭ捕集に最適な印加電圧を決定する。まず、ステップＳ３１では、内燃機関Ｅの吸入空気量をエアフローメータ６からの信号として取得し、ステップＳ３２では、粒子状物質検出センサ１の近傍の排ガス温度を、排ガス温度センサ５１からの信号として取得する。ステップＳ３３では、ステップＳ３１、ステップＳ３２で取得した、吸入空気量と排ガス温度の情報を基に、粒子状物質検出センサ１の近傍の排ガス流速を算出する。ここで、排ガス流速は、下記式１により、算出することができる。
式１：排ガス流速＝（Ｇａ×Ｖ／Ｍ）×[(Ｔ＋２７３)／２７３]×１／Ｄ
ただし、
Ｇａ：吸入空気量（単位：ｇ/ｓ）
Ｍ：空気の分子量（単位：ｇ/mol）
Ｖ：０℃、１気圧での気体１molの体積（単位：ｍ³）
Ｔ：排ガス温度（単位：℃）
Ｄ：排ガス通路Ｅ１の断面積（単位：ｍ²）
なお、一般に、Ｍ＝２８．９（単位：ｇ/mol）、Ｖ＝０．０２２４（単位：ｍ³）であり、Ｄは、粒子状物質検出装置が配設される内燃機関Ｅの排ガス通路Ｅ１によって、予め決められた固定値である。

ステップＳ３４では、ステップＳ３３で取得した排ガス流速を基に、予め用意しておいた排ガス流速範囲と電極間印加電圧の制御マップに照らし合わせて、粒子状物質検出センサ１への印加電圧を決定する。このとき、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが閾値Ｋに到達するまでの検出時間は、図８に示すように、排ガスの流速に依存して変化する。なお、排ガス中のＰＭ濃度は同じとした。また、図９〜図１３に示すように、流速範囲毎に最適な印加電圧は変化する。ＥＣＵ４は、これら関係を基に、流速範囲毎に粒子状物質の捕集効率が最大となる印加電圧を設定し、制御マップとして、記憶領域であるＲＯＭに記憶しておくことができる。ここで使用される制御マップの一例を、下記表１に示した。

図８に示すように、印加電圧を一定としたとき、排ガスの流速と検出時間とは相関があり、例えば、排ガスが低流速の領域では、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが閾値Ｋに達する検出時間は、流速にほぼ反比例する。つまり、流速が増すにつれて検出時間が短くなっている。ただし、図中に点線で示す反比例曲線ほどには検出時間は短くならず、高流速の領域では一定値に収束する。これは、検出電極部１１における粒子状物質の捕集効率が、排出されるＰＭ量と検出電極部１１への印加電圧の両方に依存して変化するためであり、粒子状物質検出センサ１に到達するＰＭ量は、排ガスの流速に比例して増加する。このため、排ガスが高流速の領域では、検出感度が低下しやすく、印加電圧をより高くして、捕集効率を高めるのがよい。

一方、図９に示すように、排ガスの流速が一定範囲にあるとき（例えば、１０．１ｍ/ｓ〜２０．０ｍ/ｓ）、印加電圧を変化させると、印加電圧が低い領域では、印加電圧の増加に伴い検出時間は減少するが、印加電圧がより高くなると、検出時間は再び増加する。ここでは、印加電圧が３０Ｖ〜４０Ｖ付近、例えば３５Ｖで検出時間は最も短くなり、印加電圧が３０Ｖ〜４０Ｖの範囲を超えると検出時間が再び上昇し、６０Ｖを超えると検出時間が急増している。これは、検出電極部１１への粒子状物質の電気的付着力Ｐが、下記式２で表されるように、クーロン力と反発力に依存するためと推察される。
式２：Ｐ∝Ｒ²（ＡＢＩρ−Ｂ²／３２）
ただし、
Ｒ：粒子径
Ａ：係数
Ｂ：電界強度
Ｉ：コロナ電流
ρ：粒子の比抵抗
式２において、括弧内の第１項はクーロン力を表し、第２項は反発力を表す。つまり、低印加電圧の領域では、クーロン力が支配的となって検出時間が減少し、高印加電圧の領域では、反発力が支配的となって検出時間が増加する。このように、クーロン力と反発力のバランスによって電気的付着力Ｐが決まり、クーロン力が比較的大きく反発力が比較的小さくなることで検出時間が最小となる。言い換えれば、捕集効率が最大となる印加電圧の最適範囲が存在し、この範囲で印加電圧を設定することで、検出感度を向上させることができる。

この傾向は、排ガスの流速がより低い範囲にある図１０（例えば、１０．０ｍ/ｓ以下）、またはより高い範囲にある図１１〜図１３（例えば、２０．１ｍ/ｓ〜３０．０ｍ/ｓ、３０．１ｍ/ｓ〜４０．０ｍ/ｓ、４０．１ｍ/ｓ以上）においても同様である。図１０に示すように、１０．０ｍ/ｓ以下の流速範囲では、印加電圧が２５Ｖ〜３５Ｖ付近、例えば３０Ｖで検出時間は最も短くなる。また、図１１に示すように、２０．１ｍ/ｓ〜３０．０ｍ/ｓの流速範囲では、印加電圧が４０Ｖ〜５０Ｖ付近、例えば４５Ｖで検出時間は最も短くなり、図１２に示すように、３０．１ｍ/ｓ〜４０．０ｍ/ｓの流速範囲では、印加電圧が５０Ｖ〜６０Ｖ付近、例えば５５Ｖで検出時間は最も短くなり、図１３に示すように、４０．１ｍ/ｓ以上の流速範囲では、印加電圧が６０Ｖ〜７０Ｖ付近、例えば６５Ｖで検出時間は最も短くなる。したがって、各流速範囲において、それぞれ排ガスの流速と検出時間の関係を基に、上記表１に示したように、捕集効率が最大となり検出時間が最小となる印加電圧範囲で、印加電圧を設定しておくことができる。

そこで、図６のステップＳ３において、上記表１に示したように、流速範囲毎に最適となる印加電圧を設定し、図６のステップＳ４において、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが、より短い時間で閾値Ｋに到達するように制御する。これにより、図１４に示すように、各流速範囲で定常運転した場合に、全流速範囲で印加電圧を一定とした場合（例えば、３５Ｖ）に比べて、閾値到達時間Ｓを短縮させる効果が得られる。特に、排ガスが低流速の領域では、上記図８に示したように、流速の影響で検出時間が増加しやすいことから、流速に応じて印加電圧を変化させることで、粒子状物質検出センサ１の検出感度を向上させる効果が高い。なお、流速範囲１０．１ｍ/ｓ〜２０．０ｍ/ｓにおいては、最適となる印加電圧（例えば、３５Ｖ）が一定電圧とした場合と同じであるため、閾値到達時間Ｓも同じとなっている。

また、図１５に示すように、ＮＥＤＣモード（すなわち、欧州での燃費、排気規制の試験走行モード）走行では、印加電圧を一定とした場合（例えば、３５Ｖ）の閾値到達時間Ｓが４５１秒であった。これに対して、流速に応じて印加電圧を変化させた場合には、閾値到達時間Ｓが４０３秒となり、印加電圧を制御することで、粒子状物質検出センサ１の検出感度が大きく向上する。

図６のステップＳ５は、粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが閾値Ｋに到達したか否か、すなわち、故障判定タイミングに到達したか否かを判定するステップであり、肯定判定されたら、ステップＳ６で、閾値到達時間Ｓを取得する。閾値到達時間Ｓは、計測開始から閾値Ｋに到達するまでの経過時間である。次いで、ステップＳ７に進んで、閾値到推定時間Ｓ0を取得する。閾値到達推定時間Ｓ0は、クライテリアＤＰＦにおいて粒子状物質検出センサ１の出力Ｅｅが閾値Ｋに到達する推定時間Ｓ0であり、エンジン運転条件、クライテリアＤＰＦの捕集率、粒子状物質検出センサ１の捕集率から算出することができる。以下に、ステップＳ７の詳細を説明する。

図１６に示すように、ステップＳ７１では、内燃機関Ｅの回転数を、回転数センサ５２からの信号として取得する。ステップＳ７２では、アクセルペダルセンサ５３からの信号や回転数センサ５２からの信号を基に、内燃機関Ｅで発生するトルク、さらには燃料噴射量を求める。ステップＳ７３では、ステップＳ７１、７２で取得した情報を基に、クライテリアＤＰＦへの流入ＰＭ量を推定する。このとき、内燃機関Ｅの運転状態に対する流入ＰＭ量のマップを予め用意しておくことができる。

ステップＳ７４では、クライテリアＤＰＦのＰＭ捕集率を推定する。クライテリアＤＰＦのＰＭ捕集率は、予め定められた値を用いてもよいし、ＤＰＦ３内のＰＭ堆積量、排ガス流量で補正してもよい。ＤＰＦ３内のＰＭ堆積量は、ＤＰＦ３前後に設置した図示しない圧力センサの差圧により、排ガス流量はエアフローメータ６により求められる。ステップＳ７５では、ステップＳ７３、７４で取得した情報を基に、クライテリアＤＰＦからの流出ＰＭ量を推定する。ステップＳ７６では、ステップ３で検出電極部１１への印加電圧を決定した際の情報を基に、粒子状物質検出センサ１のＰＭ捕集効率を推定する。このため、排ガス流速に対するＰＭ捕集効率のマップを予め用意しておくとよい。ステップＳ７７では、ステップＳ７５、７６で取得した情報を基に、クライテリアＤＰＦにおける粒子状物質検出センサ１の出力を推定する。ステップＳ７８では、ステップＳ７７で取得した情報を基に、クライテリアＤＰＦにおいてＰＭセンサ出力が閾値Ｋに到達する推定時間（すなわち、閾値到達推定時間Ｓ0）を算出する。

図６のステップＳ８では、ステップＳ６で取得した閾値到達時間Ｓと、ステップＳ７で算出した閾値到達推定時間Ｓ0とを比較し、閾値到達推定時間Ｓ0が閾値到達時間Ｓより大きいか否かを判定する。図１７に示すように、Ｓ0＞Ｓの場合は、実際に装着されたＤＰＦ３下流の粒子状物質検出センサ１によるＰＭ捕集量が、クライテリアＤＰＦ下流の粒子状物質検出センサ１のＰＭ捕集量より多いことになる。つまり、実際に装着されたＤＰＦ３をすり抜けて検出電極部１１に到達するＰＭ量の方が、クライテリアＤＰＦをすり抜けるＰＭ量より多いことになるため、ＤＰＦは故障していると判断し、警告灯を点灯する。一方、図１８に示すように、Ｓ0≦Ｓの場合には、実際に装着されたＤＰＦをすり抜けるＰＭ量は、クライテリアＤＰＦをすり抜けるＰＭ量より少ないことになるため、ＤＰＦは正常と判断し、故障診断を終了する。

以上のように、粒子状物質検出センサ１の検出電極部１１に電圧を印加して粒子状物質を捕集し、上流に配置したＤＰＦ３の故障診断を実施することができる。この際、エンジンの吸入空気量と排ガス温度を基にガス流速を算出し、このガス流速に対応させて、電極間に印加する電圧を変化させることで、検出感度を向上させることができる。さらに、閾値到達時間ＳをクライテリアＤＰＦによる閾値到達推定時間Ｓ0と比較することで、ＤＰＦ３の故障診断を精度よく実施することができる。

粒子状物質検出センサ１を用いた本発明の粒子状物質検出装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を超えない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態１においては、内燃機関Ｅをディーゼルエンジンとし、粒子状物質捕集部としてＤＰＦ３を配置したが、内燃機関Ｅをガソリンエンジンとして、ガソリンパティキュレートフィルタを配置することもできる。また、内燃機関Ｅの燃焼排ガスに限らず、粒子状物質が含まれる被測定ガスであれば、いずれにも適用することができる。

また、上記実施形態１においては、粒子状物質検出センサ１のセンサ素子１０を覆うカバー２を一重筒構造としたが、内筒と外筒からなる二重筒構造とすることもできる。カバー２に設けるガス流通孔の配置や数も任意に設定することができる。その他、粒子状物質検出センサ１を構成するセンサ素子１０やカバー２の各部形状や材質等は、適宜変更することができる。

Ｅ 内燃機関
Ｅ１ 排ガス通路
１ 粒子状物質検出センサ（すなわち、センサ部）
１０ センサ素子
１１ 検出電極部
２ カバー
２１、２２ ガス流通孔
３ 粒子状物質捕集部（すなわち、ディーゼルパティキュレートフィルタ）
４ 電子制御ユニット（すなわち、制御部）
５１排ガス温度センサ
６ エアフローメータ

Claims (5)

1. 被測定ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
   互いに離間して配置された一対の電極（１３、１４）を有するセンサ素子（１０）を備え、上記一対の電極間に捕集される粒子状物質の量に応じた信号を出力するセンサ部（１）と、
   該センサ部の上記一対の電極間へ電圧を印加して、粒子状物質を静電捕集させる捕集制御部（４１）と、上記一対の電極間に印加される電圧を決定する印加電圧決定部（４２）とを有し、上記センサ部からの出力（Ｅｅ）に基づいて粒子状物質を検出する制御部（４）と、を備えており、
   上記印加電圧決定部は、上記センサ部に導入される上記被測定ガスの流速に対応させて、上記一対の電極間における粒子状物質の捕集効率が最大となるように上記一対の電極間へ印加される電圧を決定する、粒子状物質検出装置。
2. 上記センサ部は、上記被測定ガスに晒される絶縁性基体（１２）の表面に上記一対の電極を配置した検出電極部（１１）と、該検出電極部を加熱するヒータ電極（Ｈ１）を設けたヒータ部（Ｈ）とを有する、請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
3. 上記制御部は、上記ヒータ部へ電力を供給して、粒子状物質が燃焼可能な温度に加熱する加熱制御部（４３）を有する、請求項２に記載の粒子状物質検出装置。
4. 上記制御部は、上記センサ部の上記出力が検出基準となる閾値に到達するまでの検出時間と印加電圧の関係に基づいて、予め流速範囲毎に粒子状物質の捕集効率が最大となる印加電圧範囲が設定された制御マップを備え、上記印加電圧決定部は、上記被測定ガスの流速の情報を取得し、上記制御マップを参照して、上記一対の電極間に印加される電圧を決定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置を備え、
   内燃機関（Ｅ）から上記被測定ガスとなる排ガスが排出される排ガス通路（Ｅ１）に粒子状物質捕集部（３）を備え、該粒子状物質捕集部の下流側に上記センサ部を配置した内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   上記制御部は、上記センサ部からの上記出力と、上記粒子状物質捕集部の基準モデルに対する上記センサ部の推定出力とを比較して、上記粒子状物質捕集部の故障判定を行う故障判定部（５）を備える、内燃機関の排ガス浄化装置。

Images