JP5163663B2 - 微粒子検知用センサ及び微粒子検知装置 - Google Patents

Description

この発明は微粒子検知用センサ及び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、排ガス中の微粒子量を検知するための微粒子検知用センサとこれを用いた微粒子検知装置として好適なものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、内燃機関の排気ガス中の微粒子（particulate matter；ＰＭ）量を検出する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。このセンサは、電極の少なくとも一部が排気ガス中に晒されるようにして排気経路に設置される。排気経路に排気ガスが流通すると排気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。

ところで、微粒子量の検出中、センサの電極には微粒子が堆積する。微粒子の堆積量が増加してある一定量の堆積量を超えれば、センサは、その限界値以上の出力値を出力できない状態となる。従って、正確な微粒子量を検出するためには、ある程度の段階で電極に堆積した微粒子を除去する必要がある。センサに堆積した微粒子を除去する手法としては、例えば特許文献２に開示されているように、センサに内蔵されたヒータによってセンサを加熱することで微粒子を燃焼除去する手法が知られている。

特表２００６−５１５０６６号公報 特開２００９−１４４５１２号公報

センサに堆積した微粒子を燃焼により除去する場合、その燃焼速度は排気ガス中の酸素濃度に律速されることとなる。従って、燃焼に長時間を要する場合がある。しかし、微粒子の除去処理中は、センサを通常のように微粒子量検出に用いることができないため、微粒子の燃焼除去処理に長時間を要することは好ましいものではない。

また、微粒子を燃焼させる除去手法では、センサの電極と結合した炭素（Ｃ）の除去が不十分となる場合がある。従って、燃焼除去処理を行ってセンサの使用を続けると、次第に電極に残る炭素が増加し、センサ出力のゼロ点にずれが生じる場合がある。この場合、センサ出力に応じて求められる微粒子量にずれが生じることとなる。従って、電極と結合した炭素についても十分に除去することができる除去処理手法が望まれている。

この発明は上記課題を解決することを目的とし、電極に堆積した微粒子の除去処理を短時間で完了すると共に、電極に結合した炭素まで十分に除去することができるように改良された微粒子検知用センサ及び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、
固体電解質と、
前記固体電解質の一面側に配置され、気体中の微粒子量を計測するための一対の電極である第１電極と、
前記固体電解質の、前記一面とは反対側の面に接する第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極を加熱する加熱手段と、
を備える微粒子検知用センサと、
前記第１電極間に所定の電圧を印加したときの、前記微粒子検知用センサの出力に応じて気体中の微粒子量を推定する微粒子量検出手段と、
前記第１電極に、基準量より多くの微粒子が堆積した状態を検出する状態検出手段と、
前記基準量より多くの微粒子が堆積した状態が検出された場合に、前記微粒子検知用センサのセンサ素子部の温度が、基準温度以上となるように、前記加熱手段による加熱を制御する温度制御手段と、
前記基準量より多くの微粒子が堆積した状態が検出された場合に、前記第１電極と、前記第１電極に対して固体電解質を挟んで配置された第２電極との間に、基準電圧を印加するように制御して、前記固体電解質中を移動した酸素イオンにより前記第１電極に付着した微粒子を除去する電圧制御手段と、
を備える。

第３の発明は、第２の発明において、前記基準温度は700[℃]であって、
前記温度制御手段は、更に、前記第１電極間に所定の電圧を印加して微粒子量の推定を行なう場合に、前記第１電極の温度を300[℃]以下の温度に制御することを特徴とする請求項２記載の微粒子検知装置。

第１の発明によれば微粒子量を検出するための第１電極に対し、固体電解質を挟んで配置された第２電極が配置されている。これにより、第１電極と第２電極間に電圧を印加することができる。この電圧印加により第２電極で酸素イオンが生成され、この酸素イオンが第１電極にポンピングされる。その結果、第１電極に結合した炭素を含む微粒子と酸素イオンとを反応させて放出することができる。従って、微粒子検知用センサの第１電極に付着した微粒子を、短時間で確実に除去することができると共に、微粒子検知用センサのゼロ点のずれを抑え耐久性を向上させることができる。

第２の発明によれば、第１電極に基準量より多くの微粒子が堆積した場合に、第１電極と第２電極間に電圧が印加される。これにより、第２電極で生成された酸素イオンが、第１電極にポンピングされる。その結果、第１電極に付着した微粒子と酸素イオンとを反応させて放出することができ、第１電極に付着した微粒子を効果的に除去することができる。

第３の発明によれば、第１電極により微粒子量を推定する際には電極の温度が300[℃]より低温に維持され、第１電極と第２電極間に電圧を印加して微粒子を除去する際には、電極の温度を700[℃]以上に昇温する。これにより、微粒子量を正確に推定することができると共に、微粒子の除去処理を迅速かつ十分に行なうことができる。

この発明の実施の形態における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におけるＰＭセンサのＰＭ量検出時の状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態におけるＰＭセンサのＰＭ除去処理時の状態を説明するための図である。 この発明の実施の形態において制御装置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におけるＰＭセンサと従来のＰＭセンサとの、ＰＭ除去処理時間とセンサ出力との関係を比較する図である。 この発明の実施の形態におけるＰＭセンサと従来のＰＭセンサとの、使用時間とセンサゼロ点との関係を比較する図である。

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．
図１及び図２はこの発明の実施の形態におけるＰＭセンサについて説明するための模式図であり、図１はＰＭセンサ（微粒子検知用センサ）の全体図、図２はセンサ素子部の一部を拡大した図である。図１に示されるように、ＰＭセンサ２は、カバー４と、カバー４内の空間に設置された素子部６（センサ素子部）とを備えている。カバー４は排気ガスを通過される複数の孔を有している。ＰＭセンサ２使用時は、カバー４が内燃機関の排気通路に設置される。カバー４の孔からカバー４内部に排気ガスが流入し、素子部６は排ガスに接した状態となる。

図２に示されるように、素子部６は、その表面に一対の電極（第１電極）８、１０を有している。以下、この実施の形態において、この一対の電極８、１０を、「素子電極」と称することとする。ＰＭセンサ２の素子電極８、１０は、電源回路等を介して電源（図示せず）に接続されており、これにより素子電極８、１０間に所定の電圧を印加することができる。このときの出力を検出器（図示せず）により検出することで、それに応じた排気ガス中のＰＭ（particulate matter；微粒子）の量を検出することができる。

図３は、図２のＡ−Ｂ方向の断面を説明するための模式図である。図３の上側が、図２の素子部６の表面側に対応している。図３に示されるように、素子電極８、１０の下層には、素子電極８、１０に接するように固体電解質１２が配置されている。固体電解質１２は、酸素イオンを透過させる酸素イオン伝導性を有する。固体電解質１２の更に下層には、電極１４（第２電極）が、固体電解質１２に接するように配置されている。電極１４の下側には、ヒータ１６（加熱手段）が設置されている。

素子電極８と電極１４、及び素子電極１０と電極１４とは、それぞれに電源回路等を介して電源（図示せず）に接続されている。これにより素子電極８と電極１４間、素子電極１０と電極１４間に電圧を印加することができる。また、ヒータ１６は、電源回路等を介して電源（図示せず）に接続されており、ヒータ１６に電圧が印加されることで素子部６が加熱される。

上記の検出器や電源等は図示しない制御装置に接続されている。制御装置は検出器の出力に応じてＰＭ量等を検出する等、各種出力に応じた値の算出を実行すると共に、電源等への制御信号によって各電極８、１０、１４やヒータ１６への電圧の印加等を制御する。

図４は、この実施の形態におけるＰＭセンサ２によるＰＭ量検出中の図である。ＰＭセンサ２の素子部６が排気ガスに接することで、図４に示されるように、排気ガス中のＰＭが素子電極８、１０の表面に堆積する。そして、素子電極８、１０の抵抗は、ＰＭの堆積量に応じて変化する。従って、素子電極８、１０間に一定の電圧を印加した時の電流を検出しこれに応じて抵抗を算出することで、内燃機関の排ガス中のＰＭ量を検出することができる。

ところで、ＰＭセンサ２の素子電極８、１０に堆積したＰＭが飽和状態となると、ＰＭセンサ２はもはやそれ以上の出力を出すことができず、ＰＭ量を正しく計測することができない状態となる。このため素子電極８、１０間に堆積するＰＭを飽和状態となる前に除去する必要がある。

ＰＭ除去の手法として、ヒータにより素子部を昇温させて、ＰＭを排気ガス中の酸素により燃焼させることでＰＭの除去処理を行なう手法が知られている。しかしながら、この燃焼処理におけるＰＭ燃焼速度は、排気ガス中の酸素濃度に律速されることとなるため、燃焼に相当の時間を要する場合がある。また、この燃焼処理では、素子電極と結合した状態の炭素（Ｃ）を完全に除去することは難しく、炭素除去が不十分となる場合がある。素子電極の炭素除去が不十分であると、ＰＭセンサ出力のゼロ点（即ち、ＰＭ除去処理直後の出力であり、理想的には、素子電極にＰＭが堆積していない状態での出力である）が次第にずれて変化していくこととなるため、ＰＭ量の計測誤差が大きくなる場合がある。

そこで、この実施の形態の微粒子検知装置においては、以下のＰＭ除去処理を行なう。図５は、この発明の実施の形態におけるＰＭ除去処理の状態を説明するための図である。上記したように、ＰＭセンサ２は、素子部６の素子電極８、１０下方には、固体電解質１２を挟んで設置された電極１４が配置されて構成されている。ＰＭ除去処理においては、図５に示すように、電極１４と素子電極８との間、電極１４と素子電極１０との間に、それぞれ0.5[V]程度の電圧を印加する。このとき、電極１４側がマイナス極、素子電極８、１０側がプラス極となるように設定されている。

電圧が印加されると、電極１４側の排気ガス中の酸素が電極１４において分解され、電子を受け取り、その結果、電極１４では酸素イオン（Ｏ^２-）が生成される。電極１４で生成された酸素イオンはポンピングされ固体電解質１２中を透過し、素子電極８及び素子電極１０にそれぞれ到達する。到達した酸素イオンは、素子電極８、１０と結合する炭素や、素子電極８、１０に堆積したＰＭと反応し、二酸化炭素等が生成されて外部（排気通路）に放出される。

この実施の形態では、ＰＭ除去処理の間、ヒータ１６により素子部６の温度（素子温）は700[℃]以上に維持する。これにより固体電解質１２の酸素イオン伝導率が向上し、ＰＭの燃焼による除去処理と、酸素イオンのポンピングによる除去処理とを同時に促進することができる。その結果、短時間でＰＭ除去処理を完了することができる。

図６は、この発明の実施の形態において制御装置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。図６のフローチャートにおいて、まず、センサが正常状態の使用中であるか否かが判別される（Ｓ１００）。具体的にここでは、内燃機関やＰＭセンサ２が暖機された状態であるか等が判別される。正常状態の使用中であることが認められない場合には、今回の処理が終了する。

一方、ステップＳ１００において、ＰＭセンサ２が正常状態での使用中であることが認められると、次に、素子電極８、１０間に所定の電圧が印加されＰＭセンサ２の出力（ここでは電流値）が検出される（Ｓ１０２）。

次に、ＰＭセンサ２のＰＭ堆積量が基準量より大きいか否かが判別される（ステップＳ１０４）。具体的には、例えばＰＭセンサ２の出力（電流値）が基準量に応じた第１出力より大きいか否かによって判別される。基準量は、これ以上ＰＭが堆積するとＰＭ量が正しく検出されない限界値付近の値であり、制御装置に予めそれに応じた出力が記憶されている。

ステップＳ１０４において、ＰＭセンサ出力＞第１出力の成立が認められない場合、現段階ではＰＭ除去処理が必要ないと判断されるため、素子部６の温度が300[℃]以下の温度に維持された状態で（Ｓ１０６）、今回の処理は一旦終了する。

一方、ステップＳ１０４においてＰＭセンサ出力＞第１出力の成立が認められると、ＰＭの除去処理が開始される。ここでは、まず素子部６が昇温される（Ｓ１０８）。具体的には制御装置からの制御信号によって、ヒータ１６に印加される電圧が制御されることで素子部６が加熱される。

次に、素子温が検出され（Ｓ１１０）、素子温が700[℃]以上となったか否かが判別される（Ｓ１１２）。素子温≧700[℃]の成立が認められない場合には、引き続きヒータ１６による加熱が行われ、素子温≧700[℃]の成立が認められるまで繰り返し、素子温検出（Ｓ１１０）と素子温の判別（Ｓ１１２）が行なわれる。

一方、ステップＳ１１２において、素子温≧700[℃]の成立が認められると、次に、素子電極８と電極１４との間及び素子電極１０と電極１４との間に、基準電圧が印加される（Ｓ１１４）。ここでは、制御装置からの制御信号により、基準電圧として0.5[Ｖ]の電圧が印加される。これにより、電極１４で酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンが固体電解質１２をポンピングされて素子電極８、１０に到達する。その結果、酸素イオンと、素子電極８、１０に付着するＰＭ（素子電極８、１０に結合した炭素を含む）とが反応して、素子電極８、１０からＰＭが除去される。

次に、ＰＭセンサ２の出力（電流値）が検出され（Ｓ１１６）、センサ出力が、第２出力より小さくなったか否かが判別される（Ｓ１１８）。第２出力は、ＰＭセンサ２のゼロ点付近の出力に予め設定され、制御装置に記憶された値である。センサ出力＜第２出力の成立が認められない場合、引き続き電圧が印加された状態で、繰り返し、センサ出力の検出（Ｓ１１６）、センサ出力の判定（Ｓ１１８）が行なわれる。

一方、ステップＳ１１８において、センサ出力＜第２出力の成立が認められると、素子電極８、１０表面に付着したＣを含むＰＭの除去が完了し、ゼロ点付近に出力となったことが認められる。従って、今回の処理は終了する。

図７は、従来の手法によるＰＭ除去と、この実施の形態の手法によるＰＭ除去処理とを行った場合の、ＰＭ除去時間とＰＭセンサ出力との関係を比較する図である。図７において横軸はＰＭ除去処理時間、縦軸はＰＭセンサ出力（電流値）又は温度を表す。また図７において、細い実線(ａ)は素子温であり、破線（ｂ）は従来のＰＭ除去処理を行なった場合であり、実線（ｃ）はこの実施の形態のＰＭ除去処理を行なった場合である。

図７から、この実施の形態の除去処理（実線（ｃ））によれば、従来の除去処理の場合（破線（ｂ））に比べて短持間で確実にＰＭセンサ２の出力が回復していることがわかる。即ち、本実施の形態の除去処理によれば、短時間でＰＭ除去処理を完了させることができる。

図８は、従来の手法によるＰＭ除去処理と、この実施の形態のＰＭ除去処理とを行った場合による、ＰＭセンサ２の出力ゼロ点の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ＰＭセンサの使用期間であり、縦軸はセンサ出力ゼロ点である。また、図８において、破線（ｄ）は従来のＰＭ除去処理を行った場合を表し、実線（ｅ）はこの実施の形態のＰＭ除去処理を行った場合を表している。

図８から、この実施の形態のＰＭ除去処理（実線（ｅ））によれば、従来の除去処理の場合（破線（ｄ））に比べて、ＰＭセンサ２のゼロ点の変化が小さく抑えられていることがわかる。即ち、この実施の形態のＰＭ除去処理によれば、ＰＭセンサ２の耐久性を向上させることができる。

なお、この実施の形態においては、素子電極８、１０に対して、酸素イオンをポンピングするための電極１４を共有の電極として１つ設置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、各素子電極８、１０に対して、それぞれに電極を設置したものであってもよい。

また、この実施の形態において説明したＰＭ除去処理時の温度や、印加する電圧はこの発明を拘束するものではない。これらの値は、ＰＭセンサ２の性質や使用環境等に応じて、適宜設定することができる。

なお、この実施の形態においてステップＳ１０４が実行されることで、この発明の「状態検出手段」が実現し、ステップＳ１０６又はステップＳ１０８〜Ｓ１１２が実行されることで「温度制御手段」が実現し、ステップＳ１１４が実行されることで「電圧制御手段」が実現する。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ ＰＭセンサ
４ カバー
６ 素子部
８、１０ 素子電極
１２ 固体電解質
１４ 電極
１６ ヒータ

Claims (2)

1. 固体電解質と、
   前記固体電解質の一面側に配置され、気体中の微粒子量を計測するための一対の電極である第１電極と、
   前記固体電解質の、前記一面とは反対側の面に接する第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極を加熱する加熱手段と、
   を備える微粒子検知用センサと、
   前記第１電極間に所定の電圧を印加したときの、前記微粒子検知用センサの出力に応じて気体中の微粒子量を推定する微粒子量検出手段と、
   前記第１電極に、基準量より多くの微粒子が堆積した状態を検出する状態検出手段と、
   前記基準量より多くの微粒子が堆積した状態が検出された場合に、前記微粒子検知用センサのセンサ素子部の温度が、基準温度以上となるように、前記加熱手段による加熱を制御する温度制御手段と、
   前記基準量より多くの微粒子が堆積した状態が検出された場合に、前記第１電極と前記第２電極との間に、基準電圧を印加するように制御して、前記固体電解質中を移動した酸素イオンにより前記第１電極に付着した微粒子を除去する電圧制御手段と、
   を備えることを特徴とする微粒子検知装置。
2. 前記基準温度は700[℃]であって、
   前記温度制御手段は、更に、前記第１電極間に所定の電圧を印加して微粒子量の推定を行なう場合に、前記第１電極の温度を300[℃]以下の温度に制御することを特徴とする請求項１記載の微粒子検知装置。

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