JP4400367B2 - 内燃機関の排気微粒子検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる排気微粒子を検出する排気微粒子検出装置に関する。

内燃機関の排ガスに含まれる微粒子（排気微粒子）が大きな課題となっており、排気管内において、コロナ放電を利用して排気微粒子を凝集する方法が検討されている。また、排気微粒子の排出量が低減されるように、燃料噴射時期や噴射量の最適化がなされている。

下記特許文献１には、排気微粒子の排出量を検出するべく、絶縁性の基体の両端面に電極を膜形成するとともに、両端面を貫通する孔を設けて排ガスが流通するようにした粒子状物質センサーが提案されている。この粒子状物質センサーは、排気微粒子のうち、無機質のＳＯＯＴが電気伝導性を有することを利用している。両電極間に電圧をかけておき、一方の端面側から孔に流入するＳＯＯＴのうち、一部に、孔に流入する時に一方の端面の電極と接触して電荷を受取らせ、他方の端面の孔から抜ける時に他方の端面の電極で電子を放出させる。ＳＯＯＴが多ければ電気抵抗が下がることで、電気抵抗からＳＯＯＴの量が知られる、としている。
特開２００３−９８１３６号公報

ところで、特許文献１の技術では、ＳＯＯＴは孔に流入する際に電極と一旦、接触し、その後、離れる必要がある。しかしながら、排気微粒子には未燃燃料やオイルなどの有機可溶成分からなるＳＯＦのように粘着性のあるものもあり、その作用で、電極と一旦接触したＳＯＯＴが電極から離れることが困難である。このため、十分な電流を得ることができず、排気微粒子の量を必ずしも高精度に計測することができない。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、排気微粒子の量を高精度に計測することのできる排気微粒子検出装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、排ガスが流通する内燃機関の排気通路に設けられた１対の電極と、該電極間に高電圧を印加し該電極で挟まれた空間に放電を発生させたときの前記電極間に流れる電流を検出する電流検出手段を具備し、前記１対の電極は、該電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排ガス中の排気微粒子を帯電、凝集する凝集器を構成する電極であり、前記該電流検出手段により検出された電流から知られる前記電極で挟まれた空間の電気伝導度に基づいて前記排ガス中の導電性の排気微粒子の量を計測する構成とする。

放電により発生した電子が排ガス中の導電性の排気微粒子を帯電し、帯電した排気微粒子が高電位側の電極に向かって移動して該電極に電荷を放出する。排気微粒子の濃度により、電極で挟まれた空間における電子の易動度が変化するので、電流検出手段により検出された電流に基づいて前記排ガス中の排気微粒子の量を計測することができる。放電になる電子により排気微粒子が帯電されるので、排気微粒子を電極に接触させる必要がなく、高精度に排気微粒子の量を計測することができる。
排気微粒子の量の計測用の電極は、排気微粒子を捕集するための電極と兼用することができ、また、電源をも兼用することができる。これにより、コストの低減を図ることができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記電極間の電圧を検出する電圧検出手段を具備せしめ、前記電極で挟まれた空間の電気伝導度は、前記電圧検出手段により検出された電圧と前記電流検出手段により検出された電流との比率から求める構成とする。

電極で挟まれた空間を帯電した排気微粒子が移動する時の電圧が知られるようにすることで、電流検出時の電圧の変動によらず、排気微粒子の量を高精度に計測することができる。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記電極で挟まれた空間に流入する排ガスの温度を検出する温度検出手段を具備せしめ、前記導電性の排気微粒子の量は、前記電極で挟まれた空間の電気伝導度とともに前記温度検出手段により検出された排ガスの温度に基づいて計測する構成とする。

計測対象の導電性の排気微粒子の量が同じであっても、電気伝導度が温度により変化するので、導電性の排気微粒子の量を、前記電極で挟まれた空間の電気伝導度とともに排ガスの温度に基づいて計測することで、さらに高精度化を図ることができる。

請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、排ガス中に含まれる前記導電性の排気微粒子が少量であることが知られる所定の条件を予め設定し、該所定の条件が成立したときの前記電極で挟まれた空間の電気伝導度に基づいて、計測された前記導電性の排気微粒子の量を補正する構成とする。

電極が配置される排気通路は導電性の排気微粒子が排気管壁面への付着などで残留するので、電極間の抵抗値が変化する。かかる抵抗値の変化に基因した計測誤差を、所定の条件が成立したときの前記電気伝導度に基づいて前記導電性の排気微粒子の量を補正することで低減することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１、図２に本発明の排気微粒子検出装置を適用した排気処理装置を示す。排気微粒子検出装置の説明に先立ち、排気処理装置の全体構成について説明する。エンジンの排気マニホールドに連なる排気管２はその内側が排気ガスが流通する排気通路２ａとなっており、ここに、排気ガス中の排気微粒子（以下、適宜、ＰＭという）を凝集する凝集器が設置される。凝集器は、電極であるコロナ放電電極３と電極である導電性網４とを備えている。

コロナ放電電極３は全体形状が細長で、排気管２の開口部２０１より管壁を貫通して取付けられる。コロナ放電電極３の、排気管２内に突出する排気管内部分３１は、排気管２の軸線位置でＬ字状に屈曲して先端側部分を排気流の下流方向に向けてある。排気管内部分３１の先端側は高圧電源５１からの負の高電圧が供給される放電部３１１となっている。放電部３１１は、例えば板厚方向を前記軸線方向にとった、複数の突起を有する星型の平板状部材である。排気管内部分３１は排気管２の管壁側で排気管２から電気的に絶縁する碍子３１ａにより保持されている。

導電性網４は、コロナ放電電極３の放電部３１１よりも排気流の下流に配置される。導電性網４は排気ガスが流通可能な網目を有する導電性の板状部材を円形に成形したもので、排気管２の管壁を介して接地されている。

かかる排気処理装置は、例えば図２に示すように、本体部分がエンジンが搭載された車両の下部に配置され、高圧電源５が車両の後部のトランクルームに設置される。

上記構成の排気処理装置の作動を説明する。図３において、コロナ放電電極３に、高圧電源５１から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、放電部３１１近傍においてコロナ放電が発生し、電子が放射される（図中（１））。これにより、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化し（図中（２））、付近のＰＭに付着してこれを負に帯電させる（図中（３））。ＰＭは、クーロン力と排気流によって移動し（図中（４））、導電性網４に静電捕集される（図中（５））。ＰＭを負に帯電させた前記電子は導電性網４へと放出される（図中（６））。放出された電子は導電性網４から移動して接地部に回収される。なお、接地される排気管２の管壁もコロナ放電電極３と対をなす電極を構成し、一部のＰＭは排気管２の内周面で凝集する。したがって、排気管２の管壁も導電性網４と実質的に同等の作用をするが、代表的に導電性網４について説明する。

これらコロナ放電電極３および導電性網４は排気微粒子検出装置であるＳＯＯＴ検出装置１１を構成している。すなわち、コロナ放電を発生させる高圧電源５１の出力端とコロナ放電電極３とを結ぶ給電線５２の途中には電流を検出する電流検出手段である電流センサ５３が設けてあり、その出力信号がＥＣＵ６に入力している。また、高圧電源５１の出力端には電圧を検出する電圧検出手段である電圧センサ５４が設けてあり、その出力信号がＥＣＵ５に入力している。電流センサ５３には低抵抗値の抵抗器に電流に応じた電圧降下を生じさせる構成が採用できる。電圧センサ５４には高抵抗値の抵抗器により高圧電源５１の出力電圧を分圧する構成のものが採用できる。

ＥＣＵ６では、検出電圧を検出電流で除して電極３，４で挟まれた空間の抵抗値を演算し、演算された抵抗値からＳＯＯＴ濃度マップを参照して導電性の排気微粒子であるＳＯＯＴの濃度を演算する。前記抵抗値は、電極３，４で挟まれた空間の電気伝導度の指標である。

前記ＳＯＯＴ濃度マップについて説明する。導電性を有するＳＯＯＴの中には放電により発生した電子を電極３，４で挟まれた空間を輸送する作用するものが現れる。ＳＯＯＴの濃度により、電極３，４で挟まれた空間における電子の易動度が変化することになる。すなわち、ＳＯＯＴの濃度と前記電極３，４で挟まれた空間の抵抗値との間に相関がある。図４は、ＳＯＯＴの濃度と抵抗値との関係を示すもので、ＳＯＯＴの濃度が高いほど電子の輸送が促進されて、抵抗値が減少する。

したがって、前記ＳＯＯＴ濃度マップは、予めＳＯＯＴの濃度と抵抗値との関係について実験などにより求めておき、そのデータに基づいて作成する。ＳＯＯＴ濃度マップは、ＥＣＵ６のＲＯＭに、ＥＣＵ６で実行される燃料噴射などの制御プログラムとともに記憶される。

このように、本ＳＯＯＴ検出装置１１によれば、ＳＯＯＴは、コロナ放電になる電子を受取って帯電するので、コロナ放電電極と接触しなくとも電荷を輸送する作用を奏する。これにより、高精度にＳＯＯＴの濃度を計測することができる。

（第２実施形態）
図５に本発明の別の実施形態を示す。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には図１と同じ番号を付して，第１実施形態との相違点を中心に説明する。ＳＯＯＴ検出装置１１Ａは、前記コロナ放電電極３よりも上流に排気管２の管壁を貫通して温度検出手段である温度センサ７が設けてあり、電極３，４で挟まれた空間に流入する排気ガスの温度を検出するようになっている。温度センサ７からの検出信号はＥＣＵ６Ａに入力している。図６に示すように、電極３，４で挟まれた空間の抵抗値は温度依存性を有し、同じＳＯＯＴの濃度であっても抵抗値が温度によって変化する。温度が高いほど抵抗値は低くなる。ＥＣＵ６Ａは、基本的には第１実施形態のものと同様に電極３，４で挟まれた空間の抵抗値を演算するようになっているが、さらに演算により得られた抵抗値を予め基準温度での抵抗値に換算する。換算では、温度に対して補正係数を対応させる補正係数マップが用いられ、検出温度から補正係数マップを参照して補正係数を求め、該補正係数を演算により得られた抵抗値に乗じて基準温度での抵抗値に換算する。あるいはＳＯＯＴ濃度マップを、抵抗値と温度とを入力パラメータとするマップとして構成してもよいのは勿論である。

なお、本発明の実施の形態は前記各実施形態に限られるものではない。例えば、電極３，４で挟まれた空間の抵抗値はコロナ放電電極３の碍子３１ａの表面がＳＯＯＴ等により汚れると、その分、絶縁性が低下し、図７に示すように、演算により得られる抵抗値が低下する。そこで、変形例として、排ガス中にＳＯＯＴが殆ど存在しない所定のタイミングで、抵抗値を演算し、得られた抵抗値を碍子の表面の汚れによる誤差として、該誤差を相殺する補正を行うようにするのもよい。なお、前記所定のタイミングは、エンジン始動前や、ＳＯＯＴの排出が少量であることが既知の運転域にあるときが選択される。

また、前記各実施形態ではＰＭを凝集せしめる凝集器の電極を使って構成することで、低コストを実現している。

また、前記各実施形態では、電極３，４で挟まれた空間の抵抗値を電流センサと電圧センサとにより求めているが、要求される精度などの仕様によっては、抵抗値を演算する際の電圧は固定値としてもよい。電圧センサを省略することにより、さらにコストの低下を図ることができる。

なお、本発明により得られたＳＯＯＴ濃度はエンジンの制御などにおいて有用な情報として供される。図８、図９，図１０はＳＯＯＴ検出装置の配置例を示すもので、各図８〜図１０では、エンジン（図例では４気筒のエンジンとして描いてある）１２１の排気マニホールド１２２と連なる排気系１２３に、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２４が設けられる。図８のものでは、ＤＰＦ１２４よりも下流に、電極３，４よりなるＳＯＯＴ検出装置１１Ｂの本体部１１１を配置して、ＥＣＵ６ＢがＤＰＦ１２４の捕集能力の低下や故障を検出可能としている。ＥＣＵ６Ｂには基本的な構成として前記各実施形態や変形例のものが採用し得る。

図９のものでは、本体部１１１をＤＰＦ１２４よりも上流に配置して、検出されるＳＯＯＴの濃度に基づいて、ＤＰＦ１２４に捕集され堆積するＰＭ量を推定し、ＤＰＦ１２４の再生時期すなわち再生すべきＰＭ量に達したか否かを判定可能としている。ＰＭ量は計測されるＳＯＯＴ濃度、ＳＯＯＴ濃度やエンジン１２１の運転状態から知られる単位時間当たりのＰＭ排出量を積算して求めることができる。

図１０のものでは、本体部１１１を排気マニホールド１２２の直下流に配置して、エンジン１２１から排出されるＳＯＯＴ濃度を計測し、その結果を燃料の噴射量や噴射時期の決定にフィードバックしている。

本発明の内燃機関の排気微粒子検出装置を適用した本発明の第１実施形態になる排気処理装置の概略構成図である。 前記排気微粒子検出装置の車両への搭載例を示す図である。 前記排気処理装置の作動を説明するための模式的な図である。 前記排気微粒子検出装置の作動を説明するためのグラフである。 本発明の内燃機関の排気微粒子検出装置を適用した本発明の第２実施形態になる排気処理装置の概略構成図である。 前記排気微粒子検出装置の作動を説明するためのグラフである。 本発明の変形例を説明するためのグラフである。 本発明の内燃機関の排気微粒子検出装置の本体部の第１の配置例を示す図である。 本発明の内燃機関の排気微粒子検出装置の本体部の第２の配置例を示す図である。 本発明の内燃機関の排気微粒子検出装置の本体部の第３の配置例を示す図である。

符号の説明

１１，１１Ａ，１１Ｂ ＳＯＯＴ検出装置（排気微粒子検出装置）
２ 排気管
２ａ 排気通路
３ コロナ放電電極（電極）
４ 導電性網（電極）
５１ 高圧電源
５２ 給電線
５３ 電流センサ（電流検出手段）
５４ 電圧センサ（電圧検出手段）
６，６Ａ，６Ｂ ＥＣＵ
７ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (4)

1. 排ガスが流通する内燃機関の排気通路に設けられた１対の電極と、該電極間に高電圧を印加し該電極で挟まれた空間に放電を発生させたときの前記電極間に流れる電流を検出する電流検出手段を具備し、前記１対の電極は、該電極間に高電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて排ガス中の排気微粒子を帯電、凝集する凝集器を構成する電極であり、前記電流検出手段により検出された電流から知られる前記電極で挟まれた空間の電気伝導度に基づいて前記排ガス中の導電性の排気微粒子の量を計測することを特徴とする内燃機関の排気微粒子検出装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排気微粒子検出装置において、前記電極間の電圧を検出する電圧検出手段を具備せしめ、前記電極で挟まれた空間の電気伝導度は、前記電圧検出手段により検出された電圧と前記電流検出手段により検出された電流との比率から求める内燃機関の排気微粒子検出装置。
3. 請求項１または２いずれか記載の内燃機関の排気微粒子検出装置において、前記電極で挟まれた空間に流入する排ガスの温度を検出する温度検出手段を具備せしめ、前記導電性の排気微粒子の量は、前記電極で挟まれた空間の電気伝導度とともに前記温度検出手段により検出された排ガスの温度に基づいて計測する内燃機関の排気微粒子検出装置。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の内燃機関の排気微粒子検出装置において、排ガス中に含まれる前記導電性の排気微粒子が少量であることが知られる所定の条件を予め設定し、該所定の条件が成立したときの前記電極で挟まれた空間の電気伝導度に基づいて、計測された前記導電性の排気微粒子の量を補正する内燃機関の排気微粒子検出装置。

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