JP2018054313A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度特性の影響を低減可能な制御装置を提供すること。
【解決手段】本開示の一形態は、多孔質材料から作製され、排気ガスに含まれる粒子状物質が表面に堆積する少なくとも一つの堆積部と、前記少なくとも一つの堆積部を挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極と、前記少なくとも一つの堆積部を加熱する発熱体と、を含むＰＭセンサと接続される制御装置であって、前記少なくとも一つの堆積部の温度に応じた信号を取得する温度取得部と、前記温度取得部が取得した信号に基づき、前記堆積部の温度が一定温度を維持するように前記発熱体への電力供給を制御する電力供給部と、前記一対の電極間の静電容量に基づいて、前記堆積部に堆積した粒子状物質の量を導出する第一導出部と、を備える制御装置に向けられる。
【選択図】図１

Description

本開示は、ＰＭセンサと接続される制御装置に関する。

上記のような制御装置としては、例えば特許文献１に記載のセンサがある。従来の制御装置は、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材と、筒状に形成されてその筒内にフィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気ガスをフィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材と、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部材と、一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定部とを備えている。

特開２０１６−８８６１号公報

しかしながら、電極部材間の静電容量は周囲温度（例えば、多孔質隔壁の温度）によって変化する（所謂、温度特性）。

本開示の目的は、温度特性の影響を低減可能な制御装置を提供することである。

本開示の一形態は、
多孔質材料から作製され、排気ガスに含まれる粒子状物質が表面に堆積する少なくとも一つの堆積部と、前記少なくとも一つの堆積部を挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極と、前記少なくとも一つの堆積部を加熱する発熱体と、を含むＰＭセンサと接続される制御装置であって、
前記少なくとも一つの堆積部の温度に応じた信号を取得する温度取得部と、
前記温度取得部が取得した信号に基づき、前記堆積部の温度が一定温度を維持するように前記発熱体への電力供給を制御する電力供給部と、
前記一対の電極間の静電容量に基づいて、前記堆積部に堆積した粒子状物質の量を導出する第一導出部と、を備える制御装置、
に向けられる。

本開示によれば、温度特性の影響を低減可能な制御装置を提供することが出来る。

本開示の一実施形態に係る制御装置およびその周辺構成を示す図 図１のＰＭセンサの詳細な構成を示す図 図２のセンサ部の模式的な構成を示す斜視図 図３Ａのセンサ部の分解斜視図 図１の制御装置のフロー図

以下、上記図面を参照して、本開示に係る制御装置１について詳説するが、それに先立ち、まずは用語の定義を行う。

＜１．定義＞
下表１は、本実施形態で使用される頭字語や略語の意味を示している。

また、上記図面のいくつかには、互いに直交するＬ軸、Ｗ軸およびＴ軸が描かれている。Ｌ軸、Ｗ軸およびＴ軸は、後述のＰＭセンサ７の長さ方向、幅方向および高さ方向を示す。なお、以下では、Ｌ軸が示す方向を長さ方向Ｌ、Ｗ軸が示す方向を幅方向Ｗ、Ｔ軸が示す方向を高さ方向Ｔということがある。また、Ｌ軸の正方向側を先端側、その負方向側を後端側ということがある。

＜２．制御装置等の構成＞
図１において、車両Ｖには、制御装置１に加え、内燃機関３と、排気系５と、ＰＭセンサ７と、が搭載されている。

まず、内燃機関３について説明する。内燃機関３は、例えばディーゼルエンジンであって、主として、燃焼室３０１と、インジェクタ３０３と、吸気バルブ３０５と、排気バルブ３０７と、を備えている。

燃焼室３０１は、ピストン３１１の頂部、シリンダ３１３およびシリンダヘッド３１５等で囲まれた空間である。

インジェクタ３０３は、本開示では、燃焼室３０１内に燃料を噴射する。しかし、これに限らず、インジェクタ３０３は、燃焼室３０１の吸気ポートに燃料を噴射しても構わない。

吸気バルブ３０５および排気バルブ３０７のそれぞれは開閉可能に構成される。吸気バルブ３０５が開くことで、吸気流路３１７からの新気が燃焼室３０１に吸入される。また、排気バルブ３０７が開くことで、燃焼室３０１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系５（具体的には、排気流路５０１）に送り出される。

次に、排気系５の基本構成について説明する。
排気系５は、内燃機関３で生じた排気ガスを大気中（車外）に導く排気流路５０１を有する。また、本開示では、排気流路５０１には、後処理装置５０３の例示として、ＤＯＣ５０３Ａと、ＣＳＦ５０３Ｂとが設けられている。

ＤＯＣ５０３Ａは、酸化触媒であって、上記後処理装置５０３の例示の中では、排気流路５０１の最上流側に設けられる。ＤＯＣ５０３Ａは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。このハニカム担体には多数の貫通孔が形成される。これら貫通孔を囲むハニカム壁面には、例えば白金等の貴金属触媒が担持またはコーティングされる。

このＤＯＣ５０３Ａは、例えば、排気流路５０１を通じて自身に流入した排気ガス中の未燃燃料を酸化触媒と反応させることでＣＳＦ５０３Ｂを昇温させたり、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の少なくとも一部を二酸化窒素にして、排気ガス（ＮＯｘ）における二酸化窒素の比率を高めたりする。

ＣＳＦ５０３Ｂは、排気流路５０１においてＤＯＣ５０３Ａの下流側に設けられる。このＣＳＦ５０３Ｂは、所謂ウォールフロー型フィルタであって、セラミックで作製され、円柱形状のハニカム担体を有する。

ＣＳＦ５０３Ｂの作製時、ハニカム担体に両端面を貫通する多数の貫通孔が形成された後、上流側端面および下流側端面の開口が交互に封口されて半貫通孔（即ち、セル）が形成される。これによって、上流側端面の開口（即ち、セルの開口）から、半貫通孔、ハニカム壁面（隣り合う二個のセルの隔壁）および半貫通孔を通って、下流側端面の開口（隣接セルの開口）に至る排気ガスの流路が形成される。ここで、ハニカム壁面が濾過面として使用される。なお、ハニカム壁面にも、貴金属触媒が担持またはコーティングされても良い。

上記のようなＣＳＦ５０３Ｂは、排気流路５０１において上記ＤＯＣ５０３Ａの下流側に配置される。ＣＳＦ５０３Ｂでは、排気流路５０１を案内されてきた排気ガスが上記流路を通過する。その過程で、ハニカム壁面の上流側表面に、排気ガス中の粒子状物質（主にスート）が堆積し捕集される。

また、ＣＳＦ５０３Ｂは、排気ガスの温度が自己再生温度以上であれば、捕集したスートを燃焼させて除去する（所謂、自己再生）。ここで、ＣＳＦ５０３Ｂにおける自己再生（即ち、スートの燃焼）には、排気ガス中での二酸化窒素の重量比が重要である。よって、自己再生は、ＤＯＣ５０３ＡとＣＳＦ５０３Ｂとが組み合わさって実施されることになる。

なお、ＣＳＦ５０３Ｂ自体に、上記ＤＯＣ５０３Ａと同様の酸化触媒が付加されていても構わない。この場合も、ＣＳＦ５０３Ｂは、上記と同様に自己再生が可能である。

ＣＳＦ５０３Ｂを通過した排気ガスは、周知のＳＣＲおよびＲＤＯＣ等により処理されて無害化された後、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

ＰＭセンサ７は、排気流路５０１においてＤＯＣ５０３ＡとＣＳＦ５０３Ｂとの間に配置されて、ここを通過する排気ガスに含まれるＰＭ（特に煤）の量に応じて変化する静電容量を示す電気信号を制御装置１に出力する。

以下、図２、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、図１に示すＰＭセンサ７について説明する。
なお、図２では、両ケース７０１，７０３に関しては、ＷＬ平面と平行な仮想面に沿って、それぞれの一部分を切断した時の断面形状が示される。センサ部７０５に関しては、同仮想面に沿ってそれぞれを切断した時の断面形状が示される。

図２〜図３Ｂにおいて、ＰＭセンサ７は、例えば、外ケース７０１および内ケース７０３と、センサ部７０５と、少なくとも一つの発熱体７０７と、温度センサ７０９と、取付部７１１と、を備えている。

外ケース７０１は、例えば、長さ方向Ｌに延びる中心軸を持つ円筒状の形状を有する。長さ方向Ｌにおける外ケース７０１の両端は、閉止されずに、内径をφａとする開口部となっている。

内ケース７０３は、例えば、長さ方向Ｌに延びる中心軸を持つ有底円筒状の形状を有する。内ケース７０３は、本開示では、長さ方向Ｌに、外ケース７０１よりも大きい寸法を有する。また、内ケース７０３の外径φｂは、上記内径φａよりも小さい。また、内ケース７０３の後端部は閉止されずに、内径をφｃとする開口部となっている。

また、内ケース７０３の後端部近傍には、自身の内部に排気ガスを取り込むために、複数の取込口（貫通孔）Ｈｉｎが外周面の周方向に沿って形成されている。なお、図の視認性の観点で、図２では、一つの取込口にのみ参照符号Ｈｉｎが付されている。

また、内ケース７０３の先端部は、長さ方向Ｌにおける底部となっており、完全ではないがほぼ閉止されている。より具体的には、この底部の略中央には、内ケース７０３の内部の排気ガスを排気流路５０１に戻すために、上記内径φｃよりも小径の吐出口（貫通孔）Ｈｏｕｔが少なくとも一つ形成される。

センサ部７０５は、図３Ａ，図３Ｂに示すように、多孔質体７０５１と、対をなす少なくとも二個の電極７０５３（図示は、五個の電極７０５３Ａ〜７０５３Ｅ）と、を備えている。

多孔質体７０５１は、ＣＳＦ５０３Ｂと同様のウォールフロー型フィルタであって、電気絶縁性を有する多孔質セラミックシートの積層体で作製され、長さ方向Ｌに延びる略直方体形状を有する。

この多孔質体７０５１もまた、長さ方向Ｌにおいて相対向する両端面（即ち、上流側端面および下流側端面）を貫通する多数の貫通孔が形成された後、上流側端面および下流側端面の開口が交互に封口されて半貫通孔（即ち、セル）が形成される。これによって、多孔質体７０５１の内部には、上流側端面の開口（即ち、セルの開口）から、半貫通孔、ハニカム壁面（隣り合う二個のセルの隔壁）および半貫通孔を通って、下流側端面の開口（隣接セルの開口）に至る排気ガスの流路が形成される。ここで、ハニカム壁面が濾過面として使用される。

なお、図３Ａでは上流側端面が視認可能に描かれており、上流側端面で封口された三個のセルに参照符号Ｃ１が付されている。また、上流側端面で開口する二個のセルに参照符号Ｃ２が付されている。

各電極７０５３は、面状導体からなり、例えばＬＷ平面に略平行な多孔質体７０５１のハニカム壁内に一つずつ埋設される。これにより、Ｔ軸方向に隣り合う二個の電極７０５３は、例えば幅方向Ｗに並ぶ一列分のセルＣ１，Ｃ２を挟んで互いに対向し、コンデンサを構成する。

少なくとも一個の発熱体７０７は、線状導体からなり、ハニカム壁内に埋設される。本開示では、二個の発熱体７０７Ａ，７０７Ｂが例示される。各発熱体７０７は、制御装置１の制御下で供給された電力により発熱して、多孔質体７０５１を構成するハニカム壁面に堆積するＰＭを燃焼させる。この観点から、各発熱体７０７は、極力幅狭の線状導体からなり、蛇行していることが望ましい。

なお、発熱体７０７の機能は少なくとも一個の電極７０５３に持たせることも可能である。

温度センサ７０９は、例えば、正または負の温度特性を有するサーミスタ等であって、多孔質体７０５１（特に堆積部）の温度に応じた信号を制御装置１に出力する。具体的には、温度センサ７０９は、チップタイプで多孔質体７０５１の表面上に実装されても良いし、各電極７０５３と同様にハニカム壁面に埋設されても良い。

また、各電極７０５３（本開示では、電極７０５３Ａ〜７０５３Ｅ）からは導線７１３（本開示では、導線７１３Ａ〜７１３Ｅ）が一本ずつ引き出される（図３Ｂを参照）。

また、各発熱体７０７（本開示では、発熱体７０７Ａ，７０７Ｂ）の両端からは一対の導線７１５（本開示では、一対の導線７１５Ａ，７１５Ｂ）が引き出される。

また、温度センサ７０９の両外部電極のそれぞれからは、導線７１７が一本ずつ引き出される。

再度、図２を参照する。取付部７１１は、大略的には、リング状の形状を有する。この取付部７１１の先端側には、両ケース７０１，７０３が挿入され固定される。挿入時、（１）両ケース７０１，７０３の中心軸がＬ軸と平行かつ軸合わせされ、かつ（２）外ケース７０１の内部空間に内ケース７０３が収容される。さらに、本開示では、（３）内ケース７０３の先端部が外ケース７０１の先端部よりも、Ｌ軸の正方向側に突出する。

上記構成のセンサ部７０５は、上流側端面および下流側端面を除く側面が耐熱性マットで巻かれて、内ケース７０３の内部空間に圧入される。その結果、多孔質体７０５１は、内ケース７０３において、各半貫通孔が排気ガスの流れ方向に沿うように配置される。多孔質体７０５１では、内ケース内７０３の内部に案内されてきた排気ガスが上記流路を通過する。その過程で、ハニカム壁面の上流側表面に、排気ガス中の粒子状物質（主にスート）が堆積し捕集される。このように、ハニカム壁面は、堆積部の一例をなす。

取付部７１１の外周面には、雄ネジＳ２が形成される。また、排気流路５０１においてＣＳＦ５０３Ｂよりもすぐ上流側にはボスＢ２が設けられ、ボスＢ２には、排気流路５０１を長さ方向Ｌに貫通する貫通孔が形成される。貫通孔の内周面には、雄ネジＳ２が螺合する雌ネジＳ４が切られている。上記のような取付部７１１と排気流路５０１の雌ネジＳ４により、ＰＭセンサ７は排気流路５０１に取り付けられる。この時、吐出口Ｈｏｕｔが、排気流路５０１において相対的に大きな流速が得られる排気流路５０１の中心軸上またはその近傍に位置するように、ＰＭセンサ７のサイズは設計される。

また、取付部７１１には、長さ方向Ｌに沿って貫通し、後述の導線７１３が通過する貫通孔Ｈ２が形成される。上記各導線７１３〜７１７は、貫通孔Ｈ２を通って、制御装置１に接続される。

制御装置１は、車両の過渡運転時や低負荷運転時に、温度センサ７０９の出力信号に基づき、発熱体７０７への電力供給を行って、ＰＭセンサ７における多孔質体７０５１の温度を第一温度に保ちつつ、ＳＯＦを燃焼させたうえで、ＰＭセンサ７の多孔質体７０５１に堆積している煤の量を検出する。

この制御装置１は、基板上に、コネクタ、測定回路、マイコン、ワーキングメモリおよびプログラムメモリ等が実装されたＥＣＵである。

コネクタには、各導線７１３，７１５，７１７が接続されると共に、周知の測定回路が接続される。
測定回路は、周知の手法で、電極７０５３の全ての対の合成容量を検出して、マイコンに出力する。なお、合成容量を測定する手法に関しては、例えば特開２０１１−１６９２０５号公報に記載されている。他にも、周知のＬＣＲメータを用いて静電容量を測定することも出来る。

マイコンは、プログラムメモリに予め格納されたプログラムを、ワーキングメモリを用いて実行する。

＜３．制御装置１の処理＞
次に、図４を参照して、制御装置１の処理を説明する。
図４において、マイコンは、温度センサ７０９から、多孔質体７０５１の温度に応じた信号を取得して、多孔質体７０５１の現在の温度を導出する（ステップＳ００１）。

次に、マイコンは、多孔質体７０５１の現在の温度が概ね第一温度辺りで一定で変動するように、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御に基づき、発熱体７０７へ電力供給する（ステップＳ００３）。これにより、発熱体７０７は発熱し、多孔質体７０５１を加熱する。ここで、第一温度は、ＳＯＦの燃焼温度（酸化温度）以上であって、煤が燃焼しない温度未満に設計される。このような第一温度としては、例えば、概ね３００℃以上４００℃以下である。

次に、マイコンは、予め定められた合成容量の検出周期が経過すると（ステップＳ００５でＹＥＳ）、電極７０５３の合成容量を、前述の測定回路等から取得し保持する（ステップＳ００７）。

次に、マイコンは、ｎ個以上の合成容量値を保持しているか否かを判断する（ステップＳ００９）。ここで、ｎは２以上の自然数である。

ステップＳ００９でＹＥＳと判断すると、マイコンは、最近ｎ個の合成容量値の変化が略一定か否かを判断する（ステップＳ０１１）。

ステップＳ０１１では、例えば、下記のような処理が行われる。まず、最近ｎ個の合成容量値の平均値が算出される。その後、ｎ個の合成容量値のそれぞれから平均値が減算されて、ｎ個の差分値が算出される。ｎ個の差分値の絶対値が所定基準値以下であれば、ステップＳ０１１でＹＥＳと判断される。なお、所定基準値は、出来る限りゼロに近い値であることが好ましい。

ステップＳ００５，Ｓ００９，Ｓ０１１でＮＯと判断すると、マイコンはステップＳ００１に戻る。

ところで、車両Ｖが低負荷運転や極端な過渡運転となっている時に、内燃機関３で生じた排気ガスにはＳＯＦが含まれ、ＰＭセンサ７を用いた煤量の検出精度に影響を及ぼし得る。しかし、ＳＯＦは、排気ガスが約２００℃以上の高温になると酸化することが知られている。よって、上記の通り、多孔質体７０５１の温度を第一温度（概ね３００℃以上４００℃以下）の一定温度に維持することで、ＳＯＦを燃焼させる。

上記ステップＳ０１１でＹＥＳと判断すると、マイコンは、煤量の検出に不要なＳＯＦが燃焼し尽したとみなして、ステップＳ００７と同様の手法で、電極７０５３の全ての対の合成容量を検出する。マイコンはさらに、検出した合成容量に基づき、ＣＳＦ５０３Ｂにおける煤の堆積量を導出する（ステップＳ０１３）。

煤の堆積量の導出手法は、下記の通りである。即ち、煤は導電性を有するため、煤の堆積により、対向する二個の電極７５０３の距離が変わることになる。電極７５０３の面積や多孔質体７５０１の比誘電率は一定であるため、合成容量は、実質的に煤の堆積量に相関する。

上記基本的な考え方の下、本制御装置１の設計開発段階における実験またはシミュレーションにより、多孔質体７０５１の温度が第一温度条件下で、合成容量毎に煤の堆積量が求められる。そして、合成容量毎に煤の堆積量を記述したテーブルがプログラムメモリに予め記述される。

マイコンは、ステップＳ０１３において、テーブルにアクセスして、取得した合成容量に対応する煤の堆積量を取得する。

マイコンは、ステップＳ０１３で導出した煤の堆積量が煤閾値以上であれば（ステップＳ０１５でＹＥＳ）、ＣＳＦ５０３Ｂおよびセンサ部７０５の強制再生を行って、ＣＳＦ５０３Ｂおよびセンサ部７０５に堆積した煤を燃焼させる（ステップＳ０１７）。ステップＳ０１７では、例えば、ポスト噴射により、排気ガスの温度を、煤が燃焼する約５００℃以上にすると良い。

また、ステップＳ０１５でＮＯであれば、マイコンはステップＳ００１に戻る。

＜４．制御装置１の作用・効果＞
上記の通り、本制御装置１では、マイコンは、合成容量に基づき、センサ部７０５における煤の堆積量、ひいてはＣＳＦ５０３Ｂにおける堆積量を導出する。この際、多孔質体７０５１（即ち、ＰＭの堆積部）の温度は第一温度辺りで一定に変動するように制御されるため、合成容量値に周囲温度（多孔質体７０５１の温度特性等）による変動が生じない。よって、本制御装置１によれば、電極７０５３の静電容量が温度特性の影響が低減されるため、高精度に煤の堆積量を導出することが出来る。

また、上記の通り、本制御装置１では、マイコンは、多孔質体７０５１の温度が第一温度となるように発熱体７０７への電力供給を制御する。ここで、第一温度は、ＳＯＦの燃焼温度以上であって、煤が燃焼しない温度未満の値に選ばれる。

上記電力供給の結果、多孔質体７０５１においてＰＭの堆積部ではＳＯＦの燃焼は進行するが、煤は堆積部に堆積したままとなる。そして、マイコンは、ＳＯＦが燃焼し尽したとみなすと、発熱体７０７への電力供給を停止した後に、煤の堆積量を導出する。このように、本制御装置１によれば、排気ガス中の煤の量をより正確に導出可能となる。

また、上記実施形態では、多孔質体７５０１はウォールフロー型であるので、上記のような電力供給を行っても、多孔質体７０５１に堆積したＰＭが熱泳動の影響を受けることを防止出来る。

＜５．付記＞
なお、上記実施形態では、マイコンは、多孔質体７５０１に配置された温度センサ７０９よりセンサ部７０５の周辺温度を取得していた。しかし、これに限らず、マイコンは、他の部分に設置された温度センサからの温度信号に応じて、センサ部７０５の周辺温度を推定し、推定結果に基づきステップＳ００３以降を実行しても良い。

また、ＰＭセンサ７は、ウォールフロー型の多孔質体７５０１を備えているとして説明した。しかし、これに限らず、他の種類のＰＭセンサであっても適用できる。

本開示の制御装置は、電極間の静電容量の温度特性の影響を低減可能であり、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車や商用車等に好適である。

１ 制御装置
３ 内燃機関
５ 排気系
５０１ 排気流路
５０３Ｂ ＣＳＦ
７ ＰＭセンサ
７０５ センサ部
７５０１ 多孔質体（堆積部）
７５０３ 電極
７０７ 発熱体
７０９ 温度センサ

Claims (3)

1. 多孔質材料から作製され、排気ガスに含まれる粒子状物質が表面に堆積する少なくとも一つの堆積部と、前記少なくとも一つの堆積部を挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極と、前記少なくとも一つの堆積部を加熱する発熱体と、を含むＰＭセンサと接続される制御装置であって、
   前記少なくとも一つの堆積部の温度に応じた信号を取得する温度取得部と、
   前記温度取得部が取得した信号に基づき、前記堆積部の温度が一定温度を維持するように前記発熱体への電力供給を制御する電力供給部と、
   前記一対の電極間の静電容量に基づいて、前記堆積部に堆積した粒子状物質の量を導出する第一導出部と、を備える制御装置。
2. 前記一定温度は、前記粒子状物質に含まれる可溶性有機成分が燃焼可能であるが煤は燃焼しない温度である、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記少なくとも一つの堆積部はウォールフロー型である、請求項１に記載の制御装置。

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