JP2017191054A - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサに関し、特に、排気ガス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。 The present invention relates to a sensor, and more particularly to a PM sensor that detects particulate matter (hereinafter referred to as “PM”) contained in exhaust gas.
従来、内燃機関の排気系に設けられ、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、静電容量型PMセンサが知られている(例えば、特許文献1参照)。静電容量型PMセンサは、対向配置された一対の電極の間に堆積するPMにより電極間の静電容量が変化することを利用してPMの量を測定する。 Conventionally, a capacitive PM sensor is known as a sensor that is provided in an exhaust system of an internal combustion engine and detects PM in exhaust gas discharged from the internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1). The capacitance type PM sensor measures the amount of PM by utilizing the fact that the capacitance between the electrodes changes due to the PM deposited between a pair of electrodes arranged opposite to each other.
ところで、静電容量型PMセンサにおける一対の電極の間にはPMを堆積させるためのセルが設けられているが、PMの量をより精度良く測定するために当該セルを複数設ける場合がある。 By the way, although a cell for depositing PM is provided between a pair of electrodes in the capacitive PM sensor, a plurality of the cells may be provided in order to measure the amount of PM with higher accuracy.
しかしながら、複数のセル内に入り込む排気ガスの量がばらついてしまうと、セル毎にPMの量がばらつくので、PMの量の測定精度向上に一定の限界があった。 However, if the amount of exhaust gas entering the plurality of cells varies, the amount of PM varies from cell to cell, and there is a certain limit to improving the measurement accuracy of the amount of PM.
本発明の目的は、PMの量の測定精度を向上させることができるセンサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a sensor capable of improving the measurement accuracy of the amount of PM.
本発明に係るセンサは、
排気ガスが流れ込む筐体と、
前記筐体内の所定領域に配置され、前記筐体内を移動する前記排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数の捕集部と、
前記筐体に流れ込む前記排気ガスを前記所定領域において拡散する拡散部と、
を備える。
The sensor according to the present invention comprises:
A casing through which exhaust gas flows;
A plurality of collection units arranged in a predetermined region in the housing and collecting particulate matter in the exhaust gas moving in the housing;
A diffusion section for diffusing the exhaust gas flowing into the housing in the predetermined region;
Is provided.
本発明によれば、PMの量の測定精度を向上させることができる。 According to the present invention, the measurement accuracy of the amount of PM can be improved.
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本実施の形態の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の排気系を示す概略構成図である。排気管110には、排気上流側から順に、酸化触媒210、DPF(ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ)220、NOX浄化触媒230等が設けられている。本実施の形態に係るセンサの一例としてのPMセンサ10は、例えば、DPF220よりも上流側の排気管110、又は、DPF220よりも下流側の排気管110に設けられる。
Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an exhaust system of a diesel engine (hereinafter simply referred to as “engine”) 100 to which the
次に、図2に基づいて、PMセンサ10の詳細構成について説明する。PMセンサ10は、排気管110内に挿入されたケース部材11と、ケース部材11を排気管110に取り付ける台座部20と、ケース部材11に収容されたセンサ部30とを備える。
Next, a detailed configuration of the
ケース部材11は、有底円筒状の内側ケース部11Aと、内側ケース部11Aの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部11Bとを備えている。内側ケース部11Aは、本発明の「筐体」に対応する。
The
内側ケース部11Aは、先端側が外側ケース部11Bよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース11Bよりも長く形成されている。内側ケース部11Aの軸方向長さは、内側ケース部11Aの底部が排気管110の軸中心CL近傍まで突出するように、排気管110の半径と略同一の長さとされている。なお、内側ケース部11Aの底部は、排気管110の軸中心CL近傍まで突出しているのが好ましいが、これに限定されず、例えば、軸中心CL近傍まで突出していなくても良い。また、本実施の形態では内側ケース部11A及び外側ケース部11Bの軸方向断面形状は円形状であるが、内側ケース部11A及び外側ケース部11Bの軸方向断面形状は、排気管110の流路方向(図2における左右方向)を長軸とする楕円形状や、排気管110の流路方向に頂点を有するひし形形状、多角形形状等、様々な軸方向断面形状とすることができる。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基端側とする。
The
内側ケース部11Aの底部には、内側ケース部11A内の排気ガスを排気管110内に導出する導出口13が設けられている。さらに、内側ケース部11Aの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口14が設けられている。この通過口14は、内側ケース部11Aの外周面と外側ケース部11Bの内周面とで区画された流路15内の排気ガスを内側ケース部11A内に通過させる。流路15の上流端には、内側ケース部11Aの先端側筒壁部と外側ケース部11Bの先端部により区画された円環状の導入口12が設けられている。これにより、排気管110を流れる排気ガスは、外側ケース部11Bよりも突出した内側ケース部11Aの筒壁面に当たり、排気管110の軸中心CL近傍に配置された導入口12から流路15内に円滑に取り込まれる。流路15内を流れる排気ガスは、通過口14から内側ケース部11Aに取り込まれ、センサ部30を通過した後に、排気管110の軸中心CL近傍に配置された導出口13から排気管110内に円滑に導出される。
A lead-out
また、内側ケース部11Aには、内側ケース部11A内の排気ガスを拡散するための拡散部300が設けられている。拡散部300の詳細については後述する。
Further, the
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、排気管110に形成されたボス部110Aの雌ネジ部と螺合される。雄ネジ部21がボス部110Aの雌ネジ部と螺合されることで、ケース部材11が排気管110に対して固定される。ナット部22は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部21の上端部に設けられている。これら雄ネジ部21及びナット部22には、後述する導電線等を挿通させる貫通穴(不図示)が形成されている。なお、ケース部材11を排気管110に対して固定する方法については上述のネジ係合には限定されず、例えば、ケース部材11の基端側に排気管110の外形に沿った形状のフランジを形成し、該フランジを排気管110の外周面にボルト等を用いて固定することによってケース部材11を排気管110に対して固定するようにしても良い。
The
センサ部30は、捕集部材31と、一対の電極板32と、コントロールユニット40と、図示しない電気ヒータとを備えている。
The
捕集部材31は、内側ケース部11A内における通過口14に相当する部分よりも図示下側の所定領域に配置され、例えば多孔質セラミックスの隔壁により囲まれた格子状の排気流路をなす複数のセルCを有している。複数のセルCは、互いに隣接して配置されている。セルCは、本発明の「捕集部」に対応する。
The collecting
セルCの長手方向すなわち流路方向は、センサ部30が収容される内側ケース部11Aの長手方向と一致しており、排気ガスが導入口12から導出口13に至る過程で、セルCの隔壁表面や細孔に排気ガスに含まれるPMが捕集される。
The longitudinal direction of the cell C, that is, the flow path direction coincides with the longitudinal direction of the
一対の電極板32は、例えば平板状の導電性部材であり、セルCを厚さ方向に挟んで交互に積層される。対向配置される一対の電極板32の間にセルCを挟持させることで、セルC全体がコンデンサを形成するようにしている。このように、平板状の一対の電極板32によりセルC全体をコンデンサにしたことで、電極表面積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を高めることができる。
The pair of
電気ヒータは、例えば電熱線であって、通電により発熱してセルCを加熱することで、セルC内に堆積したPMを燃焼除去する、いわゆる捕集部材再生を実行する。 The electric heater is, for example, a heating wire, and performs so-called collection member regeneration in which PM accumulated in the cell C is burned and removed by heating the cell C by generating heat by energization.
コントロールユニット40は、捕集部材再生制御部41と、PM量推定演算部42とを各機能要素として備えており、図示しない配線によって一対の電極板32と接続されている。
The
捕集部材再生制御部41は、静電容量検出回路(不図示)によって検出される一対の電極板32の間の静電容量Cpに応じて電気ヒータに通電する捕集部材再生制御を実行する。
The collection member
一対の電極板32の間の静電容量Cpは、一対の電極板32との間の媒体の誘電率をε、各電極板32の表面積をS、各電極板32の間の距離をdとして以下の数式1で表される。
The capacitance Cp between the pair of
数式1において、各電極板32の表面積Sは一定であり、セルC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、それに伴い静電容量Cpも変化する。各電極板32の間の静電容量Cpと捕集部材31のPMの堆積量との間には略比例関係が成立することが知られている。
In Equation 1, the surface area S of each
セルCに捕集されたPMの堆積量が上限値を超えると、一対の電極板32の間の静電容量CpとPMの堆積量との比例関係が崩れ、一対の電極板32との間の静電容量Cpの推定精度が低下する。そこで、捕集部材再生制御部41は、一対の電極板32との間の静電容量CpがPMの上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値CpMAXに達すると、電気ヒータに通電する捕集部材再生制御を開始する。この捕集部材再生制御は、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Cpminに低下するまで継続される。
When the accumulated amount of PM collected in the cell C exceeds the upper limit value, the proportional relationship between the capacitance Cp between the pair of
PM量推定演算部42は、再生インターバルTn間(捕集部材再生制御終了から次の捕集部材再生制御開始まで)における静電容量変化量ΔCp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mPMSUMを推定する。再生インターバルTn間に捕集部材で捕集されるPM量mPMnは、静電容量変化量ΔCpに一次の係数βを乗算した以下の数式2で得られる。
The PM amount
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Tn間のPM量mPMn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mPMSUMをリアルタイムに演算する。
The PM amount
なお、PM量の推定は、上記の手法に限られず、様々な手法を採用することができる。例えば、予め実験等により静電容量CpとPM量mPMとの関係を求めてマップを作成しておき、このマップを参照することで総PM量や瞬時のPM量を推定することができる。 In addition, estimation of PM amount is not restricted to said method, Various methods are employable. For example, it is possible to estimate the total PM amount or the instantaneous PM amount by referring to this map by obtaining the relationship between the capacitance Cp and the PM amount m PM in advance by experiments or the like.
ところで、排気管110内を流れる排気ガスは、流路15に入り込み、複数の通過口14を介して内側ケース部11A内に流れ込む。例えば排気ガスの流速が比較的速い場合、内側ケース部11Aの全周に形成された複数の通過口14から流れ込む排気ガスが、内側ケース部11A内の中心線付近で勢いよく衝突し合う。これにより、排気ガスが内側ケース部11A内で拡散されて均一に混ざり合うので、各セルC内に均等に排気ガスが流れ込み、ひいてはPMの量の測定精度を向上させることができる。
By the way, the exhaust gas flowing in the
しかし、排気ガスの流速が比較的遅い場合、複数の通過口14を介して内側ケース部11A内に流れ込んだ排気ガスは、内側ケース部11A内を緩やかに流れるので、内側ケース部11A内の中心線付近で衝突しない、または、比較的弱い力で衝突する。そのため、排気ガスは、内側ケース部11A内で拡散されにくくなり、各セルC内に均等に流れ込みにくくなる。
However, when the flow rate of the exhaust gas is relatively slow, the exhaust gas that has flowed into the
そこで、本実施の形態では、拡散部300により内側ケース部11A内の排気ガスを通過口14より図示下側の所定領域で拡散する。これにより、排気ガスが各セルC内に均等に流れ込み、ひいてはPMの量の測定精度を向上させることができる。以下、拡散部300の詳細について説明する。図3Aは、図2におけるA線で内側ケース部11Aを切った断面図において排気ガスが通過口14より流れ込む様子を示す図ある。図3Bは、図2におけるA線で内側ケース部11Aを切った断面図において排気ガスが所定領域で拡散する様子を示す図である。
Accordingly, in the present embodiment, the exhaust gas in the
拡散部300は、内側ケース部11A内における排気ガスの移動方向(図2、図3Aおよび図3Bにおける上から下に向かう方向)において、センサ部30よりも上流側に配置されている。図3Aに示すように、拡散部300は、各通過口14にそれぞれ設けられており、内側ケース部11Aの内側に突出する突出壁301を有している。
The diffusing
突出壁301は、内側ケース部11Aにおける通過口14の上縁14Aの位置から、内側ケース部11Aの内部に向かうにつれ下に位置するように傾斜している。このように突出壁301が形成されることで、流路15から通過口14を介して内側ケース部11Aに流れ込む排気ガスが矢印Xの方向に移動して内側ケース部11Aの通過口14より下側の所定領域における中心線L付近に集められる。つまり、拡散部300は、複数の通過口14のそれぞれから流れ込んだ排気ガスを内側ケース部11A内で互いに衝突させるように移動させる。そして、図3Bに示すように、各通過口14から入り込んだ排気ガスが内側ケース部11Aの中心線L付近で衝突することで、内側ケース部11A内の排気ガスが中心線L付近から矢印Yのように拡散される。拡散された排気ガスは、所定領域に配置されたセンサ部30の各セルC(図2参照)に均等に流れ込む。これにより、PMの量の測定精度を向上させることができる。
The protruding
なお、上記実施の形態では、拡散部300として突出壁301を有する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、拡散部300は、下に向かうほど先細りとなるような円錐状の部材であっても良い。これによれば、内側ケース部11Aの中心線L付近に排気ガスを集めやすくなり、効果的に拡散することができる。また、拡散部300は、網目状の部材であっても良い。また、拡散部300は、扇風機のような羽部材を内側ケース部11A内の適宜な位置に設けて排気ガスの拡散性を向上させるような構成としても良い。
In the above embodiment, the configuration having the protruding
また、図4Aおよび図4Bに示すように、拡散部はファン310であっても良い。ファン310は、円柱状の内側ケース部11A内に取り付けられ、円の中心から周方向に延びる複数の羽部材311を有している。羽部材311は、波状に形成されている。内側ケース部11A内に流れ込んだ排気ガスは、ファン310部分を通過することで拡散される。なお、ファン310は、羽部材311を回動させない構成であっても良いし、羽部材311を回動させる構成であっても良い。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4B, the diffusion unit may be a
その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 In addition, each of the above-described embodiments is merely an example of actualization in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist or the main features thereof.
本発明は、PMの量の測定精度を向上させることが可能なセンサとして有用である。 The present invention is useful as a sensor capable of improving the measurement accuracy of the amount of PM.
10 PMセンサ
11A 内側ケース部
30 センサ部
300 拡散部
10
Claims (4)
前記筐体内の所定領域に配置され、前記筐体内を移動する前記排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数の捕集部と、
前記筐体に流れ込む前記排気ガスを前記所定領域において拡散する拡散部と、
を備えるセンサ。 A casing through which exhaust gas flows;
A plurality of collection units arranged in a predetermined region in the housing and collecting particulate matter in the exhaust gas moving in the housing;
A diffusion section for diffusing the exhaust gas flowing into the housing in the predetermined region;
Comprising a sensor.
前記拡散部は、前記複数の通過口のそれぞれから流れ込んだ前記排気ガスを、前記筐体内で互いに衝突させるように移動させる、
請求項1に記載のセンサ。 The housing has a plurality of passage ports through which the exhaust gas flows,
The diffusion unit moves the exhaust gas flowing from each of the plurality of passage ports so as to collide with each other in the housing.
The sensor according to claim 1.
請求項1に記載のセンサ。 The diffusion unit is a fan having a plurality of wing members.
The sensor according to claim 1.
請求項1〜3の何れか1項に記載のセンサ。 The diffusion unit is disposed upstream of the plurality of collection units in the movement direction of the exhaust gas.
The sensor according to any one of claims 1 to 3.
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