JP2018127982A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セル内のＰＭおよびアッシュの燃焼を、低消費電力で実施可能な加熱装置を提供すること。
【解決手段】本開示の一形態は、排ガスの流路上において、粒子状物質が堆積するセル隔壁を有する多孔質体と、前記多孔質体において前記排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、第一温度で前記多孔質体を加熱する第一ヒータと、前記多孔質体において、前記第一ヒータよりも、前記流れ方向における下流側に設けられ、前記第一温度よりも高い第二温度で前記多孔質体を加熱する第二ヒータと、を備えた加熱装置に向けられる。
【選択図】図２

Description

本開示は、排ガス中のＰＭを捕集する多孔質体を加熱する加熱装置に関する。

従来から、排ガス中のＰＭ量を検出するＰＭセンサの研究・開発が行われている（例えば特許文献１を参照）。この種のＰＭセンサは、例えばウォールフロー型の多孔質体を備えている。この多孔質体には、典型的には複数個のセルが形成されている。より具体的には、排ガスの流れ方向において上流側が目封じ（閉止）された第一セルと、下流側が目封じされた第二セルと、がセル隔壁を挟んで隣り合うように配置される。上記構成のＰＭセンサは車両の排気管内に配置されており、車両の内燃機関が始動すると、排ガスが多孔質体を通過する。この時、セル隔壁にＰＭが堆積し、これによって、排ガス中のＰＭが捕集される。

ＰＭセンサの多孔質体には、排ガスの流れ方向と概ね垂直な方向において相対向する少なくとも一対の電極が設けられている。電極間には、いくつかのセル隔壁が介在しており、電極対からは、堆積したＰＭ量に相関する信号が出力されるようになっている。この出力信号に基づき、ＰＭセンサと共に用いられるＥＣＵは、排ガス中のＰＭ量を導出する。

また、多孔質体にはさらに、ヒータが設けられている。セル隔壁上のＰＭを除去するために、ＥＣＵ等の制御下でヒータは所定温度で多孔質体を加熱して、堆積したＰＭを燃焼させる。しかしながら、ヒータの加熱により、ＰＭは燃焼するが、アッシュはセル内に残留してしまう。

例えば特許文献１は、上記のような多孔質体を開示している訳ではないが、電気抵抗型のＰＭセンサにおいて、ヒータの加熱温度が、残留したアッシュを燃焼可能な温度と、ＰＭを燃焼可能な温度とに設定可能な技術が開示されている。

特開２０１４−１３４１２９号公報

本開示は、セル内のＰＭおよびアッシュを、従来よりも低消費電力で燃焼可能な加熱装置を提供することを目的とする。

本開示の一形態は、排ガスの流路上において、粒子状物質が堆積するセル隔壁を有する多孔質体と、前記多孔質体において前記排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、第一温度で前記多孔質体を加熱する第一ヒータと、前記多孔質体において、前記第一ヒータよりも、前記流れ方向における下流側に設けられ、前記第一温度よりも高い第二温度で前記多孔質体を加熱する第二ヒータと、を備えた加熱装置に向けられる。

本開示によれば、従来よりも低消費電力で、セル内のＰＭおよびアッシュを燃焼させることが出来る。

図１は、本開示の加熱装置を備えたＰＭセンサの一例を示す図である。 図２は、図１のセンサ部の詳細な構成を示す断面図である。 図３は、図１の加熱装置の構成を示すブロック図である。 図４は、図２の加熱装置の処理手順の前半部分を示すフロー図である。 図５は、図２の加熱装置の処理手順の後半部分を示すフロー図である。

以下、上記図面を参照して、本開示の加熱装置について詳説する。

＜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す。

また、各図において、ｘ軸は、車両の排気管Ｅの外部から排気管Ｅの中心に向かう方向（向心方向）であって、かつ、ＰＭセンサ１の多孔質体１３Ａ内における排ガスの流れ方向（以下、単に流れ方向という）を示す。より具体的には、ｘ軸の負方向側が、流れ方向の上流側を示し、その正方向側が流れ方向の下流側を示す。

また、図２において、ｙ軸は、行列状に配列されるセルの行方向を示し、ｚ軸は列方向を示す。

なお、以下では、流れ方向ｘ、行方向ｙおよび列方向ｚと記載することがある。

＜２．技術的課題の詳細＞
特許文献１等に記載のように、ＰＭセンサは、セル隔壁上のＰＭを除去するために、ヒータによりＰＭを燃焼させている。しかしながら、ヒータの加熱により、ＰＭは燃焼するが、アッシュはセル内に残留してしまう。その後、セル内に新たに導入された排ガス中のＰＭによりアッシュは、流れ方向におけるセルの下流側に移動させられる。ここで、このセルの下流端は目封じされるため、アッシュは、セルの下流端側に溜まっていく。本開示では、このようなＰＭおよびアッシュを、従来よりも低消費電力で除去可能な加熱装置を提供することを目的としている。

＜３．ＰＭセンサ，加熱装置の構成＞
図１において、ＰＭセンサ１は、排気管Ｅに取り付けられ、排気管Ｅの内部（即ち、排ガス流路）に差し込まれるケース１１と、センサ部１３と、加熱装置３（図２等を参照）の構成要素の一つでもある制御部１５とを備える。

ケース１１は、本開示では、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において、流れ方向ｘにおける下流端（以下、先端という）およびその近傍は、外側ケース部１１Ｂの下流端よりも突出している。また、内側ケース部１１Ａの先端には、内側ケース部１１Ａ内を通過した排ガスを排気管Ｅ内に吐出する出口１１Ｃが形成されている。さらに、内側ケース部１１Ａの基端側（即ち、先端とは逆方向側の端部）には、周方向に沿って間隔を隔てて複数の入口１１Ｄが形成されている。この入口１１Ｄからは、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで形成された流路１１Ｅを案内されてきた排気ガスが内側ケース部１１Ａ内に導入される。なお、図１では、都合上、単一の入口にのみ参照符号１１Ｄが付されている。

センサ部１３は、本開示では、内側ケース部１１Ａの内部における排ガスの流路上に配置される。センサ部１３は、図２に例示するように、多孔質体１３Ａと、図示しない複数の電極対と、第一ヒータ１３Ｂと、第二ヒータ１３Ｃと、を備えている。上記制御部１５に加え、多孔質体１３Ａ、第一ヒータ１３Ｂおよび第二ヒータ１３Ｃが、加熱装置３の基本的な構成要素となる。

多孔質体１３Ａは、例えばセラミックスで作製される。多孔質体１３Ａには、格子状のセル隔壁で区画された複数のセルが形成される。複数のセルは、流れ方向ｘからの平面視で行列状に配列されており、流れ方向ｘにおける下流端が目封じ（閉止）された第一セルＣ１と、その上流側が目封じ（閉止）された第二セルＣ２と、を含んでいる。なお、第一セルＣ１と、第二セルＣ２とは、行方向ｙにも列方向ｚにも交互に設けられる。なお、図２では、図示の都合上、第一セルＣ１と第二セルＣ２が一つずつ示されている。

このような多孔質体１３Ａは、セルＣ１，Ｃ２の延在方向が流れ方向ｘに一致し、かつ第一セルＣ１の開口が流れ方向ｘの上流側に位置するように、内側ケース部１１Ａに収容される。これによって、入口１１Ｄから内側ケース部１１Ａの内部に導入された排ガスは、基本的には、まず第一セルＣ１に流入し、第一セルＣ１を区画するセル隔壁を通過した後、第二セルＣ２に抜ける。その後、排ガスは、第二セルＣ２の開口から流出して、内側ケース部１１Ａの出口１１Ｃから排気管Ｅに吐出される。

上記の過程において、図２に示すように、排ガス中のＰＭの殆どは、第一セルＣ１の内部であってセル隔壁の表面に堆積する。なお、一部のＰＭはセル隔壁の細孔内に入り込むこともある。これによって、排ガス中のＰＭはセンサ部１３に捕集される。

図示しない複数の電極対は、例えば平板状の導電体であり、例えば、行方向ｙに並ぶセルＣ１，Ｃ２を挟んで、列方向ｚに相対向するようにセル隔壁内に設けられる。各電極対はコンデンサを構成し、セル隔壁に堆積するＰＭ量に相関する静電容量を示す信号を出力する。

なお、電極対は、本開示の要部では無く、また、公知技術を適用可能である。また、電極対を図２に示すと、本開示の要部であるヒータ１３Ｂ，１３Ｃの視認性が低下する。このため、電極対の図示は省略される。

第一ヒータ１３Ｂは、例えば線状の導電体であり、制御部１５の制御下で通電されて、第一温度で多孔質体１３Ａを加熱する。ここで、第一温度は、セル隔壁に捕集されたＰＭを燃焼可能な温度である。

本質的には、第一ヒータ１３Ｂは、一つで良い。しかし、本開示では後述するように多孔質体１３Ａの温度測定を行うので、複数あることが好ましい。

複数の第一ヒータ１３Ｂは、例えば行方向ｙに並ぶセルＣ１，Ｃ２を挟んで、列方向ｚに相対向するようにセル隔壁内に設けられる。また、各第一ヒータ１３Ｂは、ｘｙ平面において蛇行するように形成されることが好ましい。

より具体的には、各第一ヒータ１３Ｂは、流れ方向ｘにおける多孔質体１３Ａの下流端から所定距離だけ上流側に離して配置される。以下、多孔質体１３Ａにおいて下流端から所定距離だけ上流方向に遡った位置を所定位置という。換言すると、各第一ヒータ１３Ｂは、流れ方向ｘにおける多孔質体１３Ａの上流端から所定位置までの範囲内に設けられる。

第二ヒータ１３Ｃは、例えば線状の導電体であり、制御部１５の制御下で通電されて、第一温度よりも高い第二温度で多孔質体１３Ａを加熱する。ここで、第二温度は、典型的には第一セルＣ１の下流端近傍に残留するアッシュを燃焼可能な温度である。

本質的には、第二ヒータ１３Ｃも、第一ヒータ１３Ｂと同様の理由から、複数個設けられることが好ましい。

複数の第二ヒータ１３Ｃは、例えば行方向ｙに並ぶセルＣ１，Ｃ２を挟んで、列方向ｚに相対向するようにセル隔壁内に設けられる。また、各第二ヒータ１３Ｃもまた、ｘｙ平面において蛇行するように形成されることが好ましい。

具体的には、各第二ヒータ１３Ｃは、各第一ヒータ１３Ｂから電気的に絶縁されると共に、流れ方向ｘにおける多孔質体１３Ａの上記所定位置から下流端までの範囲内に設けられる。

制御部１５は、図３に示すように、例えばＥＣＵであって、予め格納されたプログラムに従って動作するマイコン１５Ａと、ヒータ制御回路１５Ｂと、温度検出回路１５Ｃと、を少なくとも含んでおり、本開示では、ＰＭセンサ１（図示しない電極対）の出力信号に基づきＰＭ量を求め、求めたＰＭ量に基づき、各ヒータ１３Ｂ，１３Ｃの通電制御を少なくとも行う。また、好ましい形態として、制御部１５は、各ヒータ１３Ｂ，１３Ｃを用いて多孔質体１３Ａの温度を求めて、各ヒータ１３Ｂ，１３Ｃの故障診断を行う。

＜４．加熱装置の動作＞
次に、図３〜図５を参照して、加熱装置３の動作について説明する。
図３のマイコン１５Ａは、ＰＭセンサ１の出力信号に基づき、多孔質体１３Ａの内部に存在するＰＭ量を求める（図４のステップＳ１０１）。

マイコン１５Ａは、ステップＳ１０１で求めたＰＭ量が所定の基準量以上か否か等に基づき、ＰＭ燃焼の開始タイミングが到来したか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ここで、基準量は、車両やＰＭセンサ１の仕様等により定まり、これ以上となると第一セルＣ１内に堆積するＰＭ量が多いとみなせる値である。この基準量は、本加熱装置３の設計・開発段階の実験やシミュレーション等に基づき適切に定められる。

ステップＳ１０３でＹＥＳと判断すると、マイコン１５Ａは、ヒータ制御回路１５Ｂを複数の第一ヒータ１３Ｂと電気的に接続させると共に、温度検出回路１５Ｃを複数の第二ヒータ１３Ｃと電気的に接続させる（ステップＳ１０５）。

ヒータ制御回路１５Ｂが、マイコン１５Ａの制御下で、第一ヒータ１３Ｂに通電を行って、第一ヒータ１３Ｂが第一温度で多孔質体１３Ａを加熱する（ステップＳ１０７）。

ここで、複数の第二ヒータ１３Ｃは、多孔質体１３Ａを挟んで相対向する対向電極とも言える。別の言い方をすると、複数の第二ヒータ１３Ｃと多孔質体１３Ａとの組み合わせは、サーミスタとも言える。温度検出回路１５Ｃは、マイコン１５Ａの制御下で、既知の抵抗値を有する抵抗と、サーミスタとの直列回路に定電圧を加えると共に、サーミスタによる分圧を得る。温度検出回路１５Ｃは、得られた分圧（デジタル値）をマイコン１５Ａに出力する。マイコン１５Ａは、温度検出回路１５Ｃからの分圧に基づき、多孔質体１３Ａの現在の温度を求める（ステップＳ１０９）。

マイコン１５Ａは、ステップＳ１０９で求めた温度と第一温度との誤差が所定の第一基準温度以上か否か等に基づき、第一ヒータ１３Ｂが故障しているか否かを判断する（ステップＳ１１１）。ここで、第一基準温度は、第一ヒータ１３Ｂが断線等により故障しているとみなせる値であり、本加熱装置３の設計・開発段階の実験やシミュレーション等に基づき適切に定められる。

ステップＳ１１１でＹＥＳと判断すると、マイコン１５Ａは、図示しない警告灯等を用いて、第一ヒータ１３Ｂが故障している旨を車両の運転手等に報知して（ステップＳ１１３）、図４および図５の処理を終了する。

ステップＳ１１１でＮＯと判断すると、マイコン１５Ａは、例えば予め定められた時間が経過するか否か等に基づき、ＰＭ燃焼を終了させるか否かを判断する（ステップＳ１１５）。

ステップＳ１１５でＮＯと判断すると、マイコン１５Ａは、ステップＳ１０７に戻る。この時、マイコン１５Ａは、ステップＳ１０９で求めた温度が第一温度となるように、フィードバック制御を行うことが好ましい。

ステップＳ１１５でＹＥＳと判断すると、マイコン１５Ａは、ヒータ制御回路１５Ｂによる第一ヒータ１３Ｂへの通電を停止させ、その後、ヒータ制御回路１５Ｂと複数の第一ヒータ１３Ｂとの電気的接続を切断させると共に、温度検出回路１５Ｃと複数の第二ヒータ１３Ｃとの電気的接続を切断させる（ステップＳ１１７）。

ステップＳ１０３でＮＯと判断するか、ステップＳ１１７の次に、マイコン１５Ａは、前回のアッシュ燃焼から予め定められた時間が経過するか否か等に基づき、アッシュの燃焼タイミングが到来したか否かを判断する（図５のステップＳ１１９）。

ステップＳ１１９でＹＥＳと判断すると、アッシュ燃焼の開始タイミングが到来したとして、マイコン１５Ａは、ヒータ制御回路１５Ｂを複数の第二ヒータ１３Ｃと電気的に接続させると共に、温度検出回路１５Ｃを複数の第一ヒータ１３Ｂと電気的に接続させる（ステップＳ１２１）。

ヒータ制御回路１５Ｂが、マイコン１５Ａの制御下で、第二ヒータ１３Ｃに通電を行って、第二ヒータ１３Ｃが第二温度で多孔質体１３Ａを加熱する（ステップＳ１２３）。

ここで、温度検出回路１５Ｃは、前述と同じ要領で、サーミスタとしての複数の第一ヒータ１３Ｂから得られた分圧をマイコン１５Ａに出力する。マイコン１５Ａは、温度検出回路１５Ｃからの分圧に基づき、多孔質体１３Ａの現在の温度を求める（ステップＳ１２５）。

マイコン１５Ａは、ステップＳ１２５で求めた温度と第二温度との誤差が所定の第二基準温度以上か否か等に基づき、第二ヒータ１３Ｃが故障しているか否かを判断する（ステップＳ１２７）。ここで、第二基準温度は、第二ヒータ１３Ｃが断線等により故障しているとみなせる値であり、本加熱装置３の設計・開発段階の実験やシミュレーション等に基づき適切に定められる。

ステップＳ１２７でＹＥＳと判断すると、マイコン１５Ａは、図示しない警告灯等を用いて、第二ヒータ１３Ｃが故障している旨を車両の運転手等に報知して（ステップＳ１２９）、図４および図５の処理を終了する。

ステップＳ１２７でＮＯと判断すると、マイコン１５Ａは、例えば予め定められた時間が経過するか否か等に基づき、アッシュ燃焼を終了させるか否かを判断する（ステップＳ１３１）。

ステップＳ１３１でＮＯと判断すると、マイコン１５Ａは、ステップＳ１２３に戻る。この時、マイコン１５Ａは、ステップＳ１２５で求めた温度が第二温度となるように、フィードバック制御を行うことが好ましい。

ステップＳ１３１でＹＥＳと判断すると、マイコン１５Ａは、ヒータ制御回路１５Ｂによる第二ヒータ１３Ｃへの通電を停止させ、その後、ヒータ制御回路１５Ｂと複数の第二ヒータ１３Ｃとの電気的接続を切断させると共に、温度検出回路１５Ｃと複数の第一ヒータ１３Ｂとの電気的接続を切断させる（ステップＳ１３３）。

ステップＳ１１９でＮＯと判断するか、ステップＳ１３３の次に、マイコン１５Ａは、図４のステップＳ１０１に戻る。

＜５．加熱装置の効果＞
＜２．技術的課題の詳細＞からも明らかなように、第一セルＣ１において、流れ方向ｘの上流側にＰＭが堆積し、下流端近傍にアッシュが溜まる。これは、本件発明者が見出した知見である。この知見に基づき、本加熱装置３では、第一ヒータ１３Ｂは、第一セルＣ１においてＰＭが堆積しやすい箇所を加熱できるように、多孔質体１３Ａにおいて流れ方向ｘの上流側に配置されて、マイコン１５Ａ等の制御下で、ＰＭを燃焼可能な第一温度で多孔質体１３Ａを加熱する。それに対し、第二ヒータ１３Ｃは、第一セルＣ１においてアッシュが溜まりやすい箇所を加熱できるように、多孔質体１３Ａにおいて流れ方向ｘの下流端近傍に配置されて、マイコン１５Ａ等の制御下で、アッシュを燃焼可能な第二温度で多孔質体１３Ａを加熱する。

従って、加熱装置３は、ＰＭ燃焼時に、第一セルＣ１においてＰＭが堆積しにくい部分を加熱しないし、アッシュ燃焼時に、第一セルＣ１においてアッシュが溜まり難い部分を加熱しない。これによって、従来よりも低消費電力でＰＭおよびアッシュを燃焼可能な加熱装置３を提供することが出来る。

また、第一ヒータ１３Ｂおよび第二ヒータ１３Ｃの一方が加熱を行っている間、他方は多孔質体１３Ａの温度測定に使用されるので、制御部１５は、加熱が適切に行えているかどうかを容易に判断することが出来る。

また、制御部１５は、多孔質体１３Ａの温度測定の結果に基づき、第一ヒータ１３Ｂおよび第二ヒータ１３Ｃの故障診断を行って、故障診断の結果を車両の運転者等に報知する。これによって、使い勝手の良い加熱装置３を提供できるようになる。

＜６．付記＞
上記説明では、加熱装置３はＰＭセンサ１への応用例を説明した。しかし、これに限らず、加熱装置３は、ウォールフロー型のフィルタを備えたＤＰＦやＧＰＦに応用されても良い。

また、上記説明では、ＰＭセンサ１は、所謂静電容量型であったが、代替的に、電気抵抗型等であっても良い。

本開示の加熱装置は、低消費電力でＰＭおよびアッシュを燃焼可能であり、ＰＭセンサ、ＤＰＦまたはＧＰＦへの応用が好適である。

３ 加熱装置
１３Ａ 多孔質体
１３Ｂ 第一ヒータ
１３Ｃ 第二ヒータ
１５ 制御部

Claims (4)

1. 排ガスの流路上において、粒子状物質が堆積するセル隔壁を有する多孔質体と、
   前記多孔質体において前記排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、第一温度で前記多孔質体を加熱する第一ヒータと、
   前記多孔質体において、前記第一ヒータよりも、前記流れ方向における下流側に設けられ、前記第一温度よりも高い第二温度で前記多孔質体を加熱する第二ヒータと、を備えた加熱装置。
2. 前記第一ヒータと、前記第二ヒータとは互いに異なる時間に加熱を行う、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記第一ヒータおよび前記第二ヒータの一方が加熱中、他方は前記多孔質体の温度測定に使用される、請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記温度測定の結果に基づき、前記第一ヒータおよび前記第二ヒータの故障診断を行う制御部を、さらに備えた請求項３に記載の加熱装置。
   

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