JP5141777B2

JP5141777B2 - 微粒子検知装置

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Description

この発明は微粒子検知装置に関する。更に具体的には、内燃機関の排気経路中に設置され、排ガス中の微粒子を検知するのに好適な微粒子検知装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、内燃機関の排ガス中の微粒子量を検出するパーキュレートセンサが開示されている。このセンサは、互いに空間をあけて平行に配置された電極を備えている。センサは、電極の少なくとも一部が排ガス中に晒されるようにして排気経路に設置される。排気経路に排ガスが流通すると排ガス中の微粒子が電極に堆積する。その結果、電極間のインピーダンスが変化する。特許文献１のセンサは、このインピーダンスの変化を検出し、これに応じて電極間に堆積する微粒子量を検出する。

日本特表２００６−５１５０６６号公報

特許文献１のような従来のセンサでは、インピーダンスの変化に応じて気体中の微粒子量を検出することができるものの、気体中の微粒子の粒子径や粒子数を推定することはできない。一方、気体中の微粒子数の計測装置としては、例えばレーザ光を用いた粒子数計などが知られているが、この装置は大型かつ高額なものであり、例えば車両に搭載するなどオンボード用としての利用が難しい。従って、気体中に含まれる微粒子の量だけでなく、その粒子数や粒子径を把握できる簡便な装置が望まれる。

また、特許文献１のような従来のセンサでは、センサ電極やリード線（以下「電極等」）を含む回路全体のインピーダンスに応じて微粒子量が測定される。従って、インピーダンスの変化量（初期値に対する差）には、微粒子の堆積に起因する変化量のほかに、電極等の劣化等に起因する変化量が含まれている。そして電極等の劣化が大きい場合、検出されたインピーダンスの変化量のうち、電極等の劣化に起因する変化の割合が大きくなる。この場合、インピーダンス変化量に応じて算出された微粒子量と、実際の微粒子量との間のずれが大きくなることが考えられる。

従って、この発明は上記課題を解決することを目的とし、電極の劣化等の劣化によるずれを小さく抑えつつ、排気中に存在する微粒子の粒子径、微粒子の量を検知することができるように改良された微粒子検知装置を提供するものである。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、気体中の微粒子を測定する微粒子検知装置であって、
離間して配置された一対の電極に印加される交流電圧の、周波数を制御する周波数制御手段と、
周波数の異なる交流電圧が印加された場合の、各周波数に対するインピーダンスを検出する交流インピーダンス検出手段と、
前記各周波数に対するインピーダンスの、抵抗成分及び/又は容量成分を算出する成分算出手段と、
前記抵抗成分及び/又は前記容量成分の変化に応じて、気体中の微粒子の平均径及び/又は微粒子の数を推定する微粒子径推定手段と、
を備える。

第２の発明は、第１の発明において、前記成分算出手段は、前記抵抗成分及び/又は前記容量成分のうち、
微粒子の内部特性に起因する粒子内成分と、
微粒間の界面特性に起因する粒界成分と、
を算出し、
前記微粒子径推定手段は、前記粒子内成分と前記粒界成分との比較結果に応じて、前記微粒子の平均径及び/又は微粒子の数を推定する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記抵抗成分のうち、前記粒子内成分と前記粒界成分とに応じて、気体中の微粒子の量を推定する微粒子量推定手段を、更に備える。

第４の発明は、第１の発明において、
前記電極間の抵抗を検出する電極間抵抗検出手段と、
検出された電極間の抵抗に応じて、気体中の微粒子の量を推定する微粒子量推定手段と、
を、更に備える。

第５の発明は、第４の発明において、
推定された微粒子の量が、飽和状態を示す基準量に達しているか否かを判別する飽和状態判別手段を更に備え、
前記交流インピーダンス検出手段は、前記微粒子の量が前記基準量に達していると判別された場合に、インピーダンスの検出を実行する。

第６の発明は、気体中の微粒子を測定する微粒子検知装置であって、
離間して配置された一対の電極に印加される交流電圧の、周波数を制御する周波数制御手段と、
周波数の異なる交流電圧を印加して、各周波数に対するインピーダンスを検出する交流インピーダンス検出手段と、
前記各周波数に対するインピーダンスの抵抗成分を、微粒子の内部特性及び界面特性に起因する粒子抵抗成分と、それ以外に起因する成分とに分けて算出する粒子抵抗成分算出手段と、
前記抵抗成分のうち前記粒子抵抗成分に応じて、微粒子の量を推定する微粒子量推定手段と、
を、備える。

第１の発明によれば、一対の電極に周波数の異なる交流電圧が印加された場合に検出されるインピーダンスの抵抗成分及び/又は容量成分の変化を検出することで、微粒子の平均径又は数を推定することができる。従って、一対の電極を有する小型の装置で、簡単に微粒子の径又は数を検出することができる。

第２の発明によれば、抵抗成分及び/又は容量成分のうち、微粒子の内部特性に起因する粒子内成分と、微粒間の界面特性に起因する粒界成分とを分けて算出する。ここで、例えば粒子径が大きい場合ほど、粒子内成分の割合は大きくなり、一方、粒子径が小さい場合ほど、粒子間の接触界面が増加するため、粒界成分の割合が大きくなる。従って、第２の発明において粒子内成分と粒界成分とを比較することで、微粒子の平均径又は数をより確実に推定することができる。

また、抵抗成分のうち、粒子内成分と粒界成分とは、共に電極間の微粒子に起因するものであり、この装置の電極等による抵抗の変動を含まない成分である。従って、第３の発明によれは、粒子内成分と粒界成分とに応じて、微粒子の量を推定することで、電極等の劣化による抵抗の変化の影響を抑え、微粒子量をより正確に推定することができる。

第４の発明によれば、１の検知装置により、微粒子の量及びその平均径や粒子数を検出することができる。

第５の発明によれば、微粒子が飽和状態まで堆積したことが認められた場合に、交流インピーダンスの検出が実行される。従って、微粒子の堆積過程において生じるインピーダンスの変動の影響を抑えることができ、より安定した状態で正確に微粒子の平均径や数を推定することができる。

第６の発明によれば、変動する周波数に対するインピーダンスの抵抗成分を、微粒子の内部特性及び界面特性に起因する粒子抵抗成分と、それ以外に起因する成分とに分けて算出し、抵抗成分のうち粒子抵抗成分に応じて、微粒子の量を推定する。これにより、電極の劣化等によって生じる抵抗の変動の影響を除いて、より正確に微粒子量を検出することができる。

この発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。この発明の実施の形態１におけるＰＭセンサについて説明するための模式図である。この発明の実施の形態１におけるＰＭセンサにＰＭが堆積した場合の等価回路図について説明するための模式図である。この発明の実施の形態１におけるセンサの周波数変化に応じたインピーダンスの変化について説明するための図である。この発明の実施の形態１におけるＰＭセンサの容量成分と抵抗成分の周波数変化に応じたインピーダンスの変化について説明するための図である。この発明の実施の形態１におけるＰＭセンサの抵抗比と粒子径との関係を説明するための図である。この発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。この発明の実施の形態２における経過時間とＰＭ堆積量について説明するための図である。この発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるＰＭセンサの設置状態について説明するための模式図である。図１に示すように、ＰＭセンサ２は、例えば車両等に搭載される内燃機関４の排気経路６に設置されている。ＰＭセンサ２（微粒子検知装置）には、交流及び直流電圧を印加するための交流電源８が接続されている。ＰＭセンサ２は、離間して配置された一対の電極１０を備えている。電極１０の少なくとも一部は、排ガスに接することができる状態で排気経路６内に設置される。また図示を省略するが、ＰＭセンサ２は、電極１０間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出器や、交流周波数を検出する周波数検出器等に接続されている。

このシステムは、制御装置１２を備える。制御装置１２はＰＭセンサ２の各種検出器等及び交流電源８に接続されている。制御装置１２は、これら検出器の出力信号を受けて、ＰＭセンサ２の交流インピーダンス等を検出すると共に、各種必要な演算等を行い、交流電源８に制御信号を発し、ＰＭセンサ２に印加する電圧の周波数等を制御する。

図２はこの発明の実施の形態１におけるＰＭセンサ２について説明するための模式図である。図２に示されるように、ＰＭセンサ２の一対の電極１０は互いに所定の空間を空けて平行に配置されている。ＰＭセンサ２使用時は、この電極１０の少なくとも一部が排ガスに接する状態で設置される。

内燃機関４の排ガス中にはＰＭ（particulate matter；微粒子）が存在する。ＰＭはＰＭセンサ２の電極１０に堆積する。図２（ａ）は、ＰＭセンサ２の電極１０間に堆積したＰＭが比較的小さい場合、図２（ｂ）は大きい場合の例を表している。なお、図２では、ＰＭの粒子径がほぼ一定のものが電極１０間に堆積しているように表しているが、実際には堆積したＰＭの粒子径は区々である。図２では、簡略のためその平均的な径が比較的小さい場合（図２（ａ））と比較的大きい場合（図２（ｂ））とを模式的に表している。ＰＭセンサ２は、図２のように電極１０間に堆積したＰＭの量とＰＭの平均径又はＰＭの数を以下のように検知する。

ＰＭセンサ２に交流電圧を印加した場合に生じる抵抗成分及び容量成分は、それぞれＰＭセンサ２内の３つの成分に分けて考えることができる。
（１）ＰＭ内部の特性に由来する成分（粒子内成分）
（２）ＰＭとＰＭとの接触界面（粒界）の特性に由来する成分（粒界成分）
（３）電極１０やＰＭセンサ２の電極やリード線等、ＰＭ以外の成分

なお、（３）の電極等の容量成分はここでは無視することができる範囲のものである。従って、ＰＭセンサ２は、図３に示すような等価回路図を有することとなる。図３の等価回路図において、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ内部容量成分Ｃ１は上記（１）のＰＭ内部の特性に由来する成分であり、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２は及びＰＭ粒界容量成分Ｃ２は上記（２）のＰＭ粒界特性に由来する成分であり、電極抵抗成分Ｒｅは（３）の電極等、ＰＭ以外に由来する抵抗成分を示している。

ここで、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２及びＰＭ内部容量成分Ｃ１、ＰＭ粒界容量成分Ｃ２は、その堆積するＰＭの量だけでなく、ＰＭの径（大きさ）によって変化する。例えば、ＰＭの粒子径が小さくなると（図２（ａ）のような場合）、ＰＭ粒界の面積が増加するため、ＰＭ粒界の特性が回路全体に及ぼす影響が大きくなる。従って、ＰＭ粒界成分とＰＭ内部成分とを比較した場合に、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２及びＰＭ粒界容量成分Ｃ２の割合が大きくなり、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ内部容量成分Ｃ１の割合が小さくなる。

一方、ＰＭの粒子径が大きい場合（図２（ｂ）のような場合）、ＰＭ内部の電子伝導性の影響が大きくなる。従って、ＰＭ粒界成分とＰＭ内部成分とを比較した場合に、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ内部容量成分Ｃ１の割合が大きくなり、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２及びＰＭ粒界容量成分Ｃ２の割合が小さくなると考えられる。

これを利用して、ＰＭ内部、ＰＭ粒界それぞれの成分による抵抗（又は容量）の大きさを検知し比較することにより、ＰＭ堆積量だけでなく、ＰＭの平均的な粒子径を推定することができると考えられる。以上より、この実施の形態１では、（１）〜（３）に示す各成分の抵抗等を、下記のように検知する。

図４は、この発明の実施の形態１のＰＭセンサ２に、周波数を低周波から高周波まで一定の間隔で周波数を変化（スイープ）させて印加した場合のインピーダンスの変化を説明するための図である。図４において、横軸は周波数の対数（logf）を表し、縦軸は、インピーダンスの対数（log|z|＝ΔV/ΔI）を表している。ＰＭセンサ２に印加する交流電圧の周波数が高周波になるに連れて、インピーダンスは理想的には図４に示されるように段階的に変化する。

図５は、図４のようにＰＭセンサ２に、交流電圧の周波数を連続的に変化（スイープ）させて印加した場合に検出されるＰＭセンサ２のインピーダンスの変化を、複素インピーダンスプロットで表した図である。横軸はインピーダンスの実数成分（抵抗成分）、縦軸は虚数成分（容量成分）を表している。

この複素インピーダンスを表す曲線とｘ軸との交点から、各抵抗Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｄが算出される。低周波数の印加で検出され抵抗Ｒａ（図４の領域Ａの抵抗値）は、全抵抗成分を加算した抵抗であり、Ｒａ＝Ｒe＋Ｒ１＋Ｒ２となる。抵抗値Ｒｃは、Ｒｃ＝Ｒｅ＋Ｒ１であり、抵抗値Ｒｅは、電極抵抗成分Ｒｅである。従って、Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｄの値から、それぞれＲ１、Ｒ２、Ｒｅが算出される。

また、抵抗の平均値Ｒｂ＝Ｒｅ＋Ｒ１＋Ｒ２／２となるときの周波数ｆｂを近似線や補間等に算出する。この算出値から、ＰＭ粒界容量成分Ｃ２が、Ｒ２Ｃ２＝１／（２πｆｂ）により算出される。また、抵抗の平均値Ｒｄ＝Ｒｅ＋２／Ｒ１となるときの周波数ｆｄを、近似線や補間等により算出する。この算出値から、ＰＭ粒界容量成分Ｃ２は、式Ｒ２Ｃ２＝１／（２πｆｄ）により算出される。

ここで、図５における破線（ａ）に示されるように、粒子径が小さい場合には、ＰＭ粒界による影響が大きくなり、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ内部内容量成分Ｃ１が小さくなり、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２及びＰＭ粒界容量成分Ｃ２が大きくなっている。一方、図５の実線（ｂ）に示されるように、粒子径が大きくなると、ＰＭ内部特性の影響が大きくなるため、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ内部容量成分Ｃ１が大きくなり、ＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２及びＰＭ粒界容量成分Ｃ２が小さくなっている。

図６は、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１のＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２に対する割合と、ＰＭの平均径との関係を表す図であり、横軸は、抵抗比Ｒ１／Ｒ２を表し、縦軸はＰＭ平均径を表している。図６に示されるように、ＰＭ平均径は、抵抗比Ｒ１／Ｒ２に相関を有し、抵抗比Ｒ１／Ｒ２が大きくなるにつれて、即ち、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１の割合が大きくなるにつれて、ＰＭ平均径が大きくなる。

実施の形態１では、抵抗比Ｒ１／Ｒ２と、ＰＭ平均径との関係を予め実験等によって求め、マップとして制御装置１２に記憶しておく。内燃機関４の運転中、周波数を連続的に変化させて印加して、低周波から高周波までに渡るインピーインピーダンス値を計測し、図５に示されるようなインピーダンス特性を予測し、抵抗成分Ｒ１、Ｒ２を算出する。その後、抵抗比Ｒ１／Ｒ２を算出することで、ＰＭ粒子径を算出する。

またＰＭセンサ２の抵抗は、電極１０間に堆積したＰＭ量に応じて変化する。但し、上記のようにＰＭセンサ２の抵抗の変化にはＰＭ以外の成分である電極抵抗成分Ｒｅの変動が含まれている。従って、この実施の形態１においては、電極１０に堆積したＰＭが飽和状態となったときに燃焼処理し、この燃焼処理を行なう度に、燃焼処理直後の初期抵抗Ｒｉを検出しておく。ＰＭ燃焼処理により電極１０にＰＭが堆積していない状態となることから、この抵抗は電極抵抗成分Ｒｅに相当するものと考えられる。

粒子量の検出では、ＰＭセンサ２に直流電圧を印加し（実抵抗）Ｒｍを検出した上で、実抵抗Ｒｍから初期抵抗Ｒｉを除いた抵抗Ｒｍ−Ｒｉに基づいて粒子量を検出する。これにより電極抵抗成分Ｒｅ分に相当する抵抗を除くことができるため、電極等の劣化による影響を抑えて、ＰＭ堆積量を正しく推定することができる。なお、抵抗Ｒｍ−Ｒｉと、ＰＭ堆積量との関係は、予め実験等により求め、制御装置１２にマップとして記憶しておく。実際のＰＭ堆積量の検出においては、検出された抵抗Ｒｍ−Ｒｉに応じて、マップに従ってＰＭ量が算出される。また、この実施の形態１では、ＰＭの平均径とＰＭ量とが同時に求められるため、ＰＭ粒子数をも算出することができる。

図７はこの発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンである。図７のルーチンは内燃機関４の運転中、一定期間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図７のルーチンでは、まず、内燃機関４が始動しているかどうかが検出される（Ｓ１２）。内燃機関４が停止中であればＰＭの検知が不要であるため、今回のルーチンは終了する。

一方、内燃機関４が始動していることが認められると、次に、ＰＭセンサ２が正常な状態にあるかどうかが判別される（Ｓ１４）。ここでは、例えば、ＰＭセンサ２がまだ活性温度にまで暖機されていないような場合には、正常状態が認められない。このようにＰＭセンサ２が正常であることが認められない場合、今回のルーチンが終了する。

一方、ステップＳ１４において、ＰＭセンサ２が正常であることが認められると、次に、初期抵抗Ｒｉが読み出される。初期抵抗Ｒｉは、新品の段階では、ＰＭセンサ２に直流電圧を印加した場合の抵抗に設定されており、その後、このルーチンが実行されると、後述の処理において検出され更新される値である。

次に、電極１０間に直流電圧を印加した場合の実抵抗Ｒｍが検出される（Ｓ１８）。次に、ＰＭ堆積量が算出される（Ｓ２０）。ＰＭ堆積量は、実抵抗Ｒｍから初期抵抗Ｒｉを減算した抵抗Ｒｍ−Ｒｉに基づき算出される。初期抵抗Ｒｉは、電極１０にＰＭが堆積していない状態で検出されるインピーダンスである。従って、抵抗Ｒｍ−Ｒｉに応じて、堆積ＰＭ量を求めることで、正確にＰＭ量が算出される。具体的には、制御装置１２は、予め記憶されている抵抗とＰＭ量との相関を示すマップに従って、抵抗Ｒｍ−Ｒｉに応じた堆積ＰＭ量を算出する。

次に、インピーダンスの計測が実行される（Ｓ２２）。ここでは、周波数を連続的に変化させながら交流電圧を印加して、インピーダンスを検出する。これにより、抵抗成分Ｒ１、Ｒ２が検出される。

次に、ＰＭの平均径が演算される（Ｓ２４）。ＰＭ平均径は、抵抗成分Ｒ１、Ｒ２の比に応じて、予め制御装置１２に記憶されたマップに従って算出される。次に、ＰＭの粒子数が算出される（Ｓ２６）。粒子数は、ＰＭ堆積量を、平均径から求められる体積で除算することにより求められる。

次に、ＰＭ堆積が飽和していないか否かが判別される（Ｓ２８）。具体的には、ステップＳ１８で求められた実抵抗Ｒｍが第１基準抵抗ｒｅｆ１より小さくなっているか否かが判別される。第１基準抵抗ｒｅｆ１は、予め制御装置１２に記憶された値であり、ＰＭセンサ２のＰＭ堆積量が飽和した場合に示す抵抗のうち最大値付近の値に設定されている。ステップＳ２８において、実抵抗Ｒｍ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められない場合、このまま今回の処理が終了する。

一方、ステップＳ２８において、実抵抗Ｒｍ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められた場合、次に、電極に堆積したＰＭの燃焼処理が実行される（Ｓ３０）。次に、実抵抗Ｒｍが検出される（Ｓ３２）。

次に、検出された実抵抗Ｒｍが、第２基準抵抗ｒｅｆ２より大きいか否かが判別される（Ｓ３４）。ここで第２基準抵抗ｒｅｆ２は、予め制御装置１２に記憶された値であり、ＰＭセンサ２にＰＭが堆積していない状態の時に、ＰＭセンサ２が示す抵抗の最小値付近の値に設定されている。

ステップＳ３４において、実抵抗Ｒｍ＞第２基準抵抗ｒｅｆ２の成立が認められない場合、まだＰＭの燃焼処理が十分でないと推測されるため、再び、ステップＳ３０に戻り、一定時間ＰＭの燃焼処理（Ｓ３０）が行なわれ、実抵抗Ｒｍの検出（Ｓ３２）、ステップＳ３４の判別が実行される。このＰＭ燃焼処理（Ｓ３０）、実抵抗Ｒｍの検出（Ｓ３２）と、ＰＭが燃焼されたか否かの判別（Ｓ３４）は、実抵抗Ｒｍ＞第２基準抵抗ｒｅｆ２の成立が認められるまでの間、繰り返し実行される。

一方、ステップＳ３４において実抵抗Ｒｍ＞第２基準抵抗ｒｅｆ２の成立が認められると、ＰＭの燃焼が完了したと判断できるため、次に、現在の実抵抗Ｒｍの値が、初期抵抗Ｒｉとして記憶される（Ｓ３６）。その後、今回の処理が終了する。

以上説明したように、この実施の形態１によれば、周波数を連続的に変化させ、それに応じたインピーダンスの変化を検出することで、ＰＭ内部及び粒界に起因する抵抗をそれぞれ分けて検出することができる。従って、ＰＭ堆積量のみならず、ＰＭの平均径、ＰＭ粒子数を検知することができる。

また、この実施の形態１では、周波数を連続的に変化させて交流電圧を印加してインピーダンスを計測し、電極１０等に起因する抵抗と、ＰＭ（内部及び粒界）に起因する抵抗とを分けて検出することができる。従って、検知された抵抗や容量から、電極１０等に起因する抵抗成分を除去することができる。これにより、電極の劣化等によって生じるＰＭセンサ２の誤差の影響を除くことができＰＭ平均径、ＰＭ粒子数を、より正確に推定することができる。

しかし、この発明はこのように電極１０等の劣化の影響を除去できるものに限るものではなく、例えば、電極１０等の劣化を考慮せずに、ＰＭ平均径やＰＭ粒子数の推定をするセンサをも含む。

また、この実施の形態１では、測定時のインピーダンスである実抵抗Ｒｍから、ＰＭ燃焼直後のインピーダンスとして記憶されている初期抵抗Ｒｉを減算し、抵抗Ｒｍ−Ｒｉに基づいてＰＭ堆積量を算出する。これによって、ＰＭ堆積量についても、電極等の劣化によって生じるＰＭセンサ２の誤差の影響を除くことができ、正確な推定を行なうことができる。

なお、この実施の形態１では、ＰＭ堆積量については、ＰＭ平均径の算出のためのインピーダンス計測とは別に、予め直流電圧を印加した場合の抵抗（実抵抗Ｒｍ及び初期抵抗Ｒｉ）を検出して求める場合について説明した。しかし、例えば、所定の周波数の交流電圧を印加した場合のインピーダンスから抵抗成分を検出し、これに応じてＰＭ堆積量を検出するものであってもよい。

また、ＰＭ平均径算出のためのインピーダンス計測において求められるＰＭ内部抵抗成分Ｒ１及びＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２（粒子抵抗成分）に応じて、ＰＭ堆積量を推定することもできる。このようにしても、電極抵抗成分Ｒｅを除いてＰＭ量を算出することができるため、電極等の劣化の影響を除去して、ＰＭ堆積量を推定することができる。

また、この発明は、ＰＭ平均径やＰＭ粒子数を推定するセンサを含まず、ＰＭ堆積量のみを検出するセンサとして利用することもできる。このようにしても、実抵抗Ｒｍから初期抵抗Ｒｉを減算した抵抗を用いるか、あるいはＰＭ粒子に起因する抵抗成分Ｒ１及びＲ２のみを用いることにより、電極１０等の劣化等による影響を抑えることができ、正確にＰＭ堆積量の検出をすることができる。

但し、この発明はこれらのように電極１０等の劣化の影響を除去できるものに限るものではなく、例えば、電極１０等の劣化を考慮せずに、ＰＭ堆積量の推定をするセンサをも含む。

また、この実施の形態１においては、ＰＭ内部抵抗成分Ｒ１とＰＭ粒界抵抗成分Ｒ２との比に応じて、ＰＭ平均径を推定する場合について説明した。しかし、図５に示されるように、容量成分についても、ＰＭが大きい場合には、ＰＭ内部容量成分Ｃ１が大きくなり、ＰＭが小さい場合にはＰＭ粒界容量成分Ｃ２が大きくなる。従って、容量成分Ｃ１、Ｃ２を比較することで、ＰＭ平均径を算出することもできる。なお、容量成分Ｃ１、Ｃ２は、上記したように、抵抗Ｒｂ、Ｒｄとそのときの周波数ｆｂ、ｆｄを算出することにより、それぞれ算出することができる。

また、この実施の形態１においては、周波数を連続的に変化させて、低周波数から高周波数に渡る交流電圧に対するインピーダンス値を検出することで、おおよそのインピーダンス特性を予測して、各抵抗成分Ｒ１、Ｒ２、容量成分Ｃ１、Ｃ２を分離して検出する場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではなく、例えば、各抵抗成分Ｒ１、Ｒ２、Ｒｅ及び容量成分Ｃ１、Ｃ２を推定できる周波数を予め複数特定し、設定された周波数の交流電圧のみを印加することとしてもよい。この周波数は、例えば２点〜３点のみの周波数であってもよい。より具体的に例えば、図４における抵抗値Ｒａ、Ｒｃ、Ｒｅに対応する周波数ｆａ、ｆｃ、ｆｅの取る範囲は、ある程度予測可能である。従って、この予測される範囲内の周波数を定めておいて、定められた周波数の交流電圧を印加することで、抵抗成分Ｒ１、Ｒ２、Ｒｅ等を推測することもできる。

なお、ステップＳ１８の処理が実行されることで、この発明の「電極間抵抗検出手段」が実現し、ステップＳ２０の処理が実行されることで「微粒子量推定手段」が実現し、ステップＳ２２の処理が実行されることで「交流インピーダンス検出手段」が実現し、ステップＳ２４又はＳ２６が実行されることで「微粒子径推定手段」が実現する。

実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、ＰＭ粒子数算出のタイミングを特定する点を除いて、実施の形態１のシステムと同様のものである。図８は、ＰＭセンサ２のＰＭ堆積量と経時変化を説明するための図である。図８において横軸は時間を表し、縦軸はＰＭ堆積量を表している。

図８に示されるように、ＰＭセンサ２へのＰＭ堆積量は、時間と共に増加するが、飽和状態になるとそれ以上増加せず、一定となる。また、ＰＭセンサ２の抵抗は、ＰＭ堆積量に応じて変化するため、飽和状態となってＰＭ堆積量が一定になると、抵抗も変化せず一定となる。

この実施の形態２では、ＰＭセンサ２の実抵抗Ｒｍが飽和状態を示す抵抗となったときに、周波数を連続的に変化させた交流電圧を印加してインピーダンスの計測を実行する。これにより、各インピーダンスを安定して計測することができ、より正確にＰＭ平均径、ＰＭ粒子数を推定することができる。

図９は、この発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンである。図９のルーチンは、ステップＳ２８の処理が、ステップＳ２０の直後に実行される点を除いて、図７のルーチンと同じものである。

具体的に、ステップＳ２０において実施の形態１と同様にＰＭ堆積量が算出された後、次に、ステップＳ４０において、現在のＰＭ堆積量が飽和状態であるか否か、即ち、実抵抗Ｒｍ−初期抵抗Ｒｉ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められるか否かが判別される（Ｓ４０）。ここで、抵抗Ｒａ−初期抵抗Ｒｉ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められない場合、現在、ＰＭ堆積が飽和状態となっていないと判断されるため、インピーダンスの計測等が実行されることなく、今回の処理がこのまま終了する。

一方、実抵抗Ｒｍ−初期抵抗Ｒｉ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められると、次に、実施の形態１と同様に、インピーダンスの計測（Ｓ２２）、ＰＭ平均径、ＰＭ粒子数の演算（Ｓ２４、Ｓ２６）が実行される。その後、続けて、ＰＭ燃焼処理等、ステップＳ３０〜Ｓ３６の処理が実施の形態１と同様に実行される。

以上説明したように、この実施の形態２のシステムによれば、ＰＭ堆積量が飽和状態となった時に、ＰＭ平均径、粒子数の検知が行なわれる。これにより、検出されるインピーダンスの値が安定するため、より正確にＰＭ平均径及び粒子数を推定することができる。

なお、ステップＳ４０において、実抵抗Ｒｍ−初期抵抗Ｒｉ＜第１基準抵抗ｒｅｆ１の成立が認められるか否かに基づく判断を行なう場合について説明した。しかし、ここでは、電極１０のＰＭ堆積が飽和状態となっているか否かが判別できればよいため、このように抵抗値に基づく判断をするものに限るものではない。

例えば、ステップＳ２０において算出されたＰＭ堆積量が、飽和状態を示す基準堆積量より大きいか否かで判別することもできる。また、ステップＳ１８で実抵抗Ｒｍを一定時間ごとに数回検出した場合に、その実抵抗Ｒｍの変化量が所定の基準より小さな極小さな量になった場合に、飽和状態を判断することもできる。また、例えば、前回ＰＭ燃焼処理をしてからのセンサの稼動時間が、飽和状態を予想する基準経過時間以上となったか否かで判別するようにするなど、ある程度、飽和状態であることが推定される判別を行なうものであればよい。

なお、この実施の形態２において、ステップＳ４０の処理が実行されることにより、この発明の「飽和状態判別手段」が実現する。

２ＰＭセンサ
８交流電源
１０電極
１２制御装置
Ｃ１ＰＭ内部容量成分
Ｃ２ＰＭ粒界容量成分
Ｒ１ＰＭ内部抵抗成分
Ｒ２ＰＭ粒界抵抗成分
Ｒｅ電極抵抗成分
ｒｅｆ１第１基準抵抗
ｒｅｆ２第２基準抵抗
Ｒi 初期抵抗
Ｒｍ実抵抗

Claims

気体中の微粒子を測定する微粒子検知装置であって、
離間して配置された一対の電極に印加される交流電圧の、周波数を制御する周波数制御手段と、
周波数の異なる交流電圧が印加された場合の、各周波数に対するインピーダンスを検出する交流インピーダンス検出手段と、
前記各周波数に対するインピーダンスの、抵抗成分及び/又は容量成分を算出する成分算出手段と、
前記抵抗成分及び/又は前記容量成分の変化に応じて、気体中の微粒子の平均径及び/又は微粒子の数を推定する微粒子径推定手段と、
を備えることを特徴とする微粒子検知装置。
前記成分算出手段は、前記抵抗成分及び/又は前記容量成分のうち、
微粒子の内部特性に起因する粒子内成分と、
微粒間の界面特性に起因する粒界成分と、
を算出し、
前記微粒子径推定手段は、前記粒子内成分と前記粒界成分との比較結果に応じて、前記微粒子の平均径及び/又は微粒子の数を推定することを特徴とする請求項１に記載の微粒子検知装置。
前記抵抗成分のうち、前記粒子内成分と前記粒界成分とに応じて、気体中の微粒子の量を推定する微粒子量推定手段を、更に備えることを特徴とする請求項２に記載の微粒子検知装置。
前記電極間の抵抗を検出する電極間抵抗検出手段と、
検出された電極間の抵抗に応じて、気体中の微粒子の量を推定する微粒子量推定手段と、
を、更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子検知装置。
推定された微粒子の量が、飽和状態を示す基準量に達しているか否かを判別する飽和状態判別手段を更に備え、
前記交流インピーダンス検出手段は、前記微粒子の量が前記基準量に達していると判別された場合に、インピーダンスの検出を実行することを特徴とする請求項４に記載の微粒子検知装置。
気体中の微粒子を測定する微粒子検知装置であって、
離間して配置された一対の電極に印加される交流電圧の、周波数を制御する周波数制御手段と、
周波数の異なる交流電圧を印加して、各周波数に対するインピーダンスを検出する交流インピーダンス検出手段と、
前記各周波数に対するインピーダンスの抵抗成分を、微粒子の内部特性及び界面特性に起因する粒子抵抗成分と、それ以外に起因する成分とに分けて算出する粒子抵抗成分算出手段と、
前記抵抗成分のうち前記粒子抵抗成分に応じて、微粒子の量を推定する微粒子量推定手段と、
を、備えることを特徴とする微粒子検知装置。