JP5488451B2

JP5488451B2 - 微粒子検出装置

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Publication number: JP5488451B2
Application number: JP2010287772A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木; 大貴西嶋; 達弘橋田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012137298A

Description

この発明は微粒子検出装置に関する。更に具体的には、内燃機関の排気経路中に設置され、排気ガス中の微粒子を付着させるセンサ素子を有する微粒子検出装置として好適なものである。

例えば特許文献１には、内燃機関の排気ガス中の微粒子（particulate matter；以下「ＰＭ」とも称する）量を検出するためのセンサが開示されている。特許文献１のセンサは、ＰＭを付着させる絶縁層と互いに間隔を開けて絶縁層に配置された一対の電極とを備えている。このセンサが排気ガスに接し、排気ガス中のＰＭが電極間に堆積すると、ＰＭ堆積量に応じて電極間の導電性が変化するため、電極間の抵抗が変化する。従って、センサの電極間に所定の電圧を印加して、このときの電極間の抵抗を検出することで、電極間のＰＭ堆積量が検出される。

このセンサにおいて、電極間のＰＭ堆積量が一定量を超えると、電極間の抵抗値はもはや変化しなくなり、それ以降はＰＭ堆積量に応じた出力値を出力できない状態となる。これに対し特許文献１の技術では、電極間のＰＭ堆積量が増加した段階で、センサに内蔵されたヒータによってセンサを所定時間加熱し、堆積したＰＭを燃焼除去するＰＭリセットが実行される。

特開２００９−１４４５７７号公報

上記のセンサによるＰＭ捕集性を向上させるため、センサの電極間には一方向に高電圧が印加される場合がある。しかし高電圧印加により、センサの電極構造の変化や抵抗の変化が生じる場合があり、また一方向に電流が流れつづけると、電極構造の一方向の変化が進むため、電極の劣化が加速されやすい。また、上記のＰＭリセット中は、センサ素子が高温に制御される。この環境下で高電圧が印加されると、電極構造の変化等は更に促進されやすい。

上記のようなセンサ電極の電極構造や抵抗の変化は、センサの出力特性を変化させ得る。このため、センサによるＰＭ量検出を継続すると、センサ出力に経時変化が生じ、排気ガス中のＰＭ量を正しく検出できない事態を生じ得る。

この発明は、上記課題を解決することを目的とし、センサの電極構造や抵抗の経時的な変化を抑制するよう改良された微粒子検出装置を提供するものである。

この発明において微粒子検出装置は、ガス中に含まれる微粒子を付着させるセンサ素子の電気的特性を検出し、前記電気的特性に基づいて、付着した微粒子量を検出する。この微粒子検出装置は、電圧印加手段と、電圧制御手段とを備える。電圧印加手段は、センサ素子の電極間に、センサ素子の電気的特性を検出するための電圧を印加させる。電圧制御手段は、センサ素子の電気的特性の変化抑制のため、電極間への印加電圧の向きを逆転させる。

電圧制御手段は、１例としては、電気的特性の検出において、電極間へ印加される電圧の向きを、所定のタイミングごとに逆転させるものである。

センサ素子の温度を制御することで、センサ素子に付着した微粒子を燃焼除去する除去処理を実行する微粒子除去制御手段を、更に備える微粒子検出装置の場合には、電圧制御手段が、電圧の向きを逆転させる所定のタイミングを、除去処理が完了したタイミングとしてもよい。その他、所定のタイミングとしては、電気的特性の検出のための電圧印加の積算時間が所定時間を越えたタイミングや、微粒子検出装置が設置される内燃機関の停止、始動のタイミングなどとしてもよい。

また、センサ素子の温度を制御することで、センサ素子に付着した微粒子を燃焼除去する除去処理を実行する微粒子除去制御手段を備える微粒子検出装置の場合には、除去処理の実行中に、電圧制御手段が、電極間に印加する電圧を、電気的特性検出のための電圧よりも小さい電圧とするものや、電極間への電圧印加を停止するものであってもよい。

この発明において、センサ素子の電極間に印加される電圧は、センサ素子の電気的特性の変化抑制のため変えられる。このように電極間に印加される電圧が変化することで、同じ電圧が継続して印加される事態を抑制することができる。これにより電極の構造変化や抵抗の変化を抑制することができる。

また、所定のタイミングごとに電圧の方向を逆転させるものにおいては、一方向にのみ電極間に電流が流れつづけるのを抑制することができる。従って、電極の構造変化が一方向に進むなど、一方的な経時変化を抑えることができ、センサ出力特性の経時変化を抑制することができる。

また、センサ素子に付着する微粒子を除去するための処理は、比較的高温環境下で実行される。このような高温環境下において高電圧が印加された場合に、電極構造の変化は促進され易い。この点、微粒子除去処理時に、電極間に印加される電圧を低電圧とするものについては、高温環境下で、電極に高電圧が供給されるのを抑制することができるため、電極構造の変化を抑制することができる。

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量検出のための電気回路図である。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ＰＭ量検出のための電気回路図である。この発明の実施の形態２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。

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．
[実施の形態１の装置の構成]
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センサの全体図、図２はセンサ素子の一部を拡大した図である。図１に示されるＰＭセンサ２は、例えば車両に搭載された内燃機関の排気経路の微粒子捕集フィルタ下流に設置され、排気ガス中のＰＭ（微粒子；particulate matter）量の検出に用いられる。

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センサ素子６とを備えている。カバー４は気体を通過させる複数の孔を有している。ＰＭセンサ２使用時は、カバー４の複数の孔からカバー４内部に排気ガスが流入し、センサ素子６が排気ガスに接した状態となる。

図２に示されるように、センサ素子６は、その表面に一対の電極８、１０を有している。一対の電極８、１０は互いに接触しない状態で、一定の間隔を開けて配置されている。更に、電極８、１０それぞれは櫛歯形状に形成された部分を有し、この部分において互いに噛み合わされるように配置されている。電極８、１０は、その下層に形成された絶縁層１２に接している。絶縁層１２はＰＭを付着させる機能を有する。絶縁層１２内部の電極８、１０の下層には、ヒータ１４が埋め込まれている。ヒータ１４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１４に所定の電力が供給されることでセンサ素子６が加熱される。

図３は、上記ＰＭセンサ２を用いてＰＭ量の検出をするための回路を説明するための図である。この回路にはＰＭセンサ２が接続される。回路図５において、ＰＭセンサ２は抵抗Ｒｐｍとして表されている。

ＰＭセンサ２に直列に、抵抗Ｒｓが接続されている。抵抗Ｒｓは、シャント抵抗であり、固定の抵抗値を有している。シャント抵抗Ｒｓ両側には電圧計Ｖが取り付けられている。この電圧計Ｖにより検出される電圧に基づいて、センサ素子６の抵抗Ｒｐｍの抵抗値を検出することができる。抵抗Ｒｐｍの抵抗値は電極８、１０間に堆積するＰＭ量に依存して変化する。従って、抵抗Ｒｐｍの抵抗値を求めることで、堆積したＰＭ量を検出することができる。

また、図３の回路には、回路に所定の高電圧を印加し得る電源が接続されている。また、図３の回路は、図示しない切り替え用の回路により、印加される電圧の方向を逆転させることができる構成となっている。

[ＰＭ量検出]
上記の電圧計Ｖや切り替え用の回路等は図示しない制御装置に接続されている。制御装置が実行する制御には、例えば、ＰＭセンサ２の出力に基づく排気ガス中のＰＭ量のモニターや、センサ素子６に堆積したＰＭの燃焼除去処理（ＰＭリセット）、センサ素子６の温度制御等が含まれる。

具体的に、制御装置は、一対の電極８、１０間にＰＭ量検出用の所定の電圧（以下、「検出用電圧」とする）が印加されるよう制御し、このときの出力（電圧Ｖｓ）を検出し、これに基づき一対の電極８、１０間の抵抗Ｒｐｍの抵抗値を求める。ＰＭセンサ２に付着したＰＭ量はこの抵抗値と相関を有することから、抵抗値に基づきセンサに付着したＰＭ量が求められる。求められたＰＭ量から、排気ガス中に含まれるＰＭの量が推定される。

[ＰＭリセットの処理]
また、ＰＭ量の検出が継続し、ＰＭセンサ２の電極８、１０に堆積したＰＭが飽和状態となると、ＰＭセンサ２の出力は最大出力に達し、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。このような事態を避けるため、ＰＭの飽和が認められる前のタイミングで、センサ素子６を加熱し、センサ素子６に付着したＰＭを燃焼除去する処理を行なう。以下、この処理を「ＰＭリセット」と称する。

具体的には、制御装置は、ＰＭセンサ２の出力がＰＭ飽和状態を示す基準出力より大きくなった場合に、ヒータ１４への通電を開始し、センサ素子６を加熱する。予め定められたＰＭリセット期間、センサ素子６の加熱を継続することで、センサ素子６表面のＰＭを燃焼除去する。なお、ＰＭ飽和状態を示す基準出力は、ＰＭセンサ２の最大出力近傍の値であり、予め実験等により最適な値に定められ制御装置に記憶される。また、ＰＭリセット時間は、ＰＭ飽和状態においてセンサ素子６に付着したＰＭを燃焼させるのに最適な時間であり、この時間は予め実験等により求められ、制御装置に記憶される。

[実施の形態１の特徴的な制御]
更に、制御装置は、ＰＭ量検出において印加される検出用電圧の方向を、所定期間ごとに逆転させる。即ち、電極８側に高電圧を印加した場合には、次回は、他方の電極１０に高電圧を印加する。これにより、電極８、１０間に一方向にのみ高電圧が印加された状態が続くのを防ぐことができる。従って、電極８、１０の構造変化が一方向に進行することを防ぎ、電極８、１０の経時的な劣化によるセンサの出力特性の変化を抑えることができる。

検出用電圧を逆転させるタイミングは、上記のＰＭリセットごととされる。つまり、実施の形態１では、上記のＰＭリセット処理が完了するごとに、検出用電圧の方向が逆転されて、ＰＭ量検出が行なわれる。

[具体的な制御のルーチン]
図４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について説明するためのフローチャートである。図４に示されるルーチンは、一定間隔ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図４に示すルーチンでは、まず、内燃機関の始動後であるか、及び、ＰＭセンサ２の故障とされていないかなど、この制御の開始に必要となる所定の前提条件を満たすか否かが判別される（Ｓ１０２）。

ステップＳ１０２において、前提条件を満たすことが認められない場合には，今回の処理は終了する。一方、ステップＳ１０２において前提条件を満たすことが認められた場合、次に、ＰＭセンサ２への検出用電圧が印加される（Ｓ１０４）。このとき電圧の向きは、初期値においては予め制御装置に記憶された方向とされ、その後は後述する処理により現在、設定されている方向とされる。

次に、ＰＭセンサ２のセンサ出力をモニターする（Ｓ１０６）。ここではＰＭセンサ２の出力に応じ、ＰＭセンサ２に堆積するＰＭ量が求められ、これにより排気ガス中に含まれるＰＭ量が推定される。

次に、ＰＭリセットのタイミングか否かが判別される（Ｓ１０８）。具体的には、ＰＭセンサ２の出力が、上記基準出力より大きいか否かにより、ＰＭリセットのタイミングであるか否かが判別される。ステップＳ１０８において、ＰＭリセットのタイミングであることが認められない場合には、今回の処理はこのまま終了する。

一方、ステップＳ１０８において、ＰＭリセットのタイミングであることが認められると、センサ出力のモニターは終了とされる（Ｓ１１０）。即ち、センサ出力の検出、ＰＭ量の算出等は停止される。検出用電圧は、印加されたままの状態で維持される。

次に、ヒータ１４への通電が開始される（Ｓ１１２）。その結果、センサ素子６は所定の温度にまで加熱され、表面に堆積するＰＭの燃焼除去が開始される。

次に、ＰＭリセットが完了したか否かが判別される（Ｓ１１４）。具体的には，ステップＳ１１０のヒータ１４への通電開始後の経過時間がカウントされ、カウントされた経過時間がＰＭリセット時間より長くなったか否かに基づき、ＰＭリセットが完了したか否かが判別される。

ステップＳ１１４においてＰＭリセットの完了が認められない場合、ＰＭリセットが実行されている状態、即ちセンサ素子６が加熱された状態で、ＰＭリセットの完了が認められるまでの間、ステップＳ１１４の判別が一定期間ごとに繰り返される。

ステップＳ１１４において、ＰＭリセットの完了が認められると、次に、ヒータ１４への通電が停止とされる（Ｓ１１６）。これによりＰＭリセットは終了し、センサ素子６はＰＭ量検出時の温度に戻される。

次に、検出用電圧の方向が逆向きに設定される（Ｓ１１８）。即ち、電極８側に高電圧が印加されていた場合には、電極１０側に高電圧が印加される設定とされ、電極１０に高電圧が印加されていた場合には、電極８側に高電圧が印加される設定となる。その後、今回の処理は終了する。

次回このルーチンが再び実行されると、ステップＳ１０４の処理により検出用電圧が印加されるが、その電圧の向きは、今回のステップＳ１１８の処理により、今回の検出用電圧とは逆向きとなっている。

以上説明したとおり、本実施の形態１によれば、検出用電圧を印加する方向を、ＰＭリセット完了ごとに逆転させることができる。これにより電極８、１０間に一方向に電流が継続して流れるのを防ぐことができる。従って、電極８、１０の構造変化が一方向に進行するのを抑えることができ、構造変化や抵抗変化によるセンサの出力変化を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態１について説明したが、本発明は実施の形態１に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施の形態１では、ＰＭリセット実施の判断をＰＭ堆積量が飽和状態であるか否か、即ち、センサ出力が、基準出力より大きいか否かの判断に基づき行なう場合について説明した。しかし、この発明において、ＰＭリセット実施の判断の基準は、これに限られるものではない。例えば、ＰＭリセットを内燃機関の始動時、あるいは停止時のタイミングで行なうものとすることもできる。このような場合であっても、ＰＭリセット完了のタイミングで検出用電圧印加の方向を逆に設定しておくことで、ＰＭリセットのタイミングで電圧を逆転させながら、ＰＭ量検出を行なうことができる。

また、本実施の形態１では、ＰＭリセット完了のタイミングで、検出用電圧の向きを逆転させる場合について説明した。しかし、この発明において、電圧逆転のタイミングはこれに限られるものではない。この発明において、検出用電圧の向きは、例えば、ある方向の検出用電圧の印加を開始してからの経過時間が一定の時間より長くなった場合に、印加方向を逆転するようにするものであってもよい。また、例えば、内燃機関の始動、停止のタイミングで、検出用電圧の向きが逆転するように制御するものであってよい。

また、本実施の形態１では、ＰＭセンサ２の出力として、シャント抵抗Ｒｓ両側の電圧Ｖｓを検出し、これに応じて求められる電極８、１０間の抵抗値から、ＰＭ量を検出する場合について説明した。しかし、この発明において、ＰＭセンサ２及びＰＭ量検出回路は、図３に示すものに限られるものではない。この発明において検出されるセンサ素子６の電気的特性とは、電極８、１０間の抵抗値や、抵抗値と相関を有する他の電気的特性など、センサ素子６に付着したＰＭ量と相関を有する他のパラメータであってもよい。

なお、本実施の形態１において、ステップＳ１０４の処理が実行されることで、本発明の「電圧印加手段」が実現し、ステップＳ１１２が実行されることで「微粒子除去制御手段」が実現し、ステップＳ１１８の処理が実行されることで「電圧制御手段」が実現する。

実施の形態２．
実施の形態２のＰＭセンサ２は、実施の形態１のＰＭセンサ２と同様の構成を有している。実施の形態２のシステムは、実施の形態１と同様の制御に加え、ＰＭリセット時に電極８、１０への電圧印加を停止させる制御を行なう点においてのみ、実施の形態１のシステムと異なる。

図５は、この発明の実施の形態２のＰＭ量検出のための電気回路を表す図である。図５に示されるように、本実施の形態２におけるＰＭ量検出のための電気回路は検出用電圧の印加のＯＮ/ＯＦＦを切り替えるスイッチＳＷを有している。スイッチは、制御装置により制御され、必要に応じてＯＮ/ＯＦＦに切り替えられる。なお、図示を省略するが、このＰＭ量検出用の電気回路は、実施の形態１で説明したように、電圧印加の方向を切り替える回路をも含むものとする。

実施の形態２の制御においては、ＰＭ量の検出が行なわれている間、スイッチＳＷはＯＮ側にセットされ、電極８、１０間には、検出用電圧が印加される。一方、ＰＭリセットが行なわれている間は、スイッチＳＷはＯＦＦ側にセットされ、電極８、１０間へは電圧が印加されていない状態とされる。これによりＰＭリセット時の高温環境下において、電極８、１０間に高電圧が印加されることを防ぐことができ、電極８、１０の劣化の進行を防ぐことができる。

図６は、この発明の実施の形態２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のルーチンは、ステップＳ１１０のセンサ出力モニター終了の後に、ステップＳ２０２の処理を有する点を除き、図４のルーチンと同じものである。

具体的に、ステップＳ１１０において、センサの出力のモニターが終了とされた後、次に、センサ素子６に印加される電圧がＯＦＦとされる（Ｓ２０２）。即ち、制御装置からの制御信号により、スイッチＳＷが開かれ、電圧供給がＯＦＦとされる。

その後、実施の形態１と同様に、ＰＭリセットが開始され（Ｓ１１２）、ＰＭリセット完了が認められると（Ｓ１１４）、ヒータ１４への通電が停止とされる（Ｓ１１６）。その後、電圧印加の方向が逆向きに設定され（Ｓ１１８）、今回のルーチンが終了する。

以上説明したように、実施の形態２のシステムによれば、ＰＭリセット時にセンサ素子６への電圧印加が行なわれないようにすることができる。これにより高温環境下においては、電極８、１０に高圧が印加されることを防ぎ、電極８、１０の劣化が進行するのを抑制することができる。

なお、本実施の形態において、ステップＳ２０２の処理が実行されることにより、この発明の「電圧制御手段」が実現する。

以上、本発明の実施の形態２について説明したが、本発明は実施の形態２に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本発明において、スイッチＳＷは、ＯＮ/ＯＦＦを切り替えるものに限るものではなく、例えば、高電圧の検出用電圧（例えば、１００Ｖ）と、検出用電圧よりも低い低電圧（例えば、５Ｖ）とを切り替えるものとしてもよい。この場合にも、通常のＰＭ量の検出を行なう場合には、スイッチが高電圧側に接続されるように制御される。これによりセンサ素子６には高電圧が印加され、ＰＭ量の検出を行なうことができる。一方、ＰＭリセットの実施中は、スイッチが低電圧側に切り替えられて、センサ素子６に印加される電圧は、低電圧となる。このようにしても電極８、１０の劣化をある程度、抑えることができる。

また、本実施の形態２では、ＰＭリセット時に電圧印加をＯＦＦとする制御と、ＰＭリセット完了後に電圧印加の方向を逆転する制御とを共に行なう場合について説明した。しかし、この発明は、両制御を行なうものに限らず、例えば、ＰＭリセット時に電圧印加をＯＦＦ（あるいは低電圧）とする制御のみを行い、電圧印加の方向は常に一方向とするものであってもよい。このようにしても、少なくとも高温環境下で、電極８、１０間に電圧が印加されるのを防ぐことができ、電極８、１０の電極構造の変化等を抑制することができる。

また、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。

２ＰＭセンサ
６センサ素子
８、１０電極
１４ヒータ

Claims

ガス中に含まれる微粒子を付着させるセンサ素子の電気的特性を検出し、前記電気的特性に基づいて、付着した微粒子量を検出する微粒子検出装置であって、
前記センサ素子の電極間に、前記センサ素子の電気的特性を検出するための電圧を印加させる電圧印加手段と、
前記センサ素子の電気的特性の変化抑制のため、前記電極間への印加電圧の向きを逆転させる電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする微粒子検出装置。
前記電圧制御手段は、前記電気的特性の検出において、前記電極間へ印加される電圧の向きを、所定のタイミングごとに逆転させることを特徴とする請求項１に記載の微粒子検出装置。
前記センサ素子の温度を制御することで、前記センサ素子に付着した微粒子を燃焼除去する除去処理を実行する微粒子除去制御手段を、更に備え、
前記所定のタイミングは、前記除去処理が完了したタイミングであることを特徴とする請求項２に記載の微粒子検出装置。
前記センサ素子の温度を制御することで、前記センサ素子に付着した微粒子を燃焼除去する除去処理を実行する微粒子除去制御手段を、更に備え、
前記電圧制御手段は、前記除去処理の実行中、前記電極間に印加する電圧を、前記電気的特性検出のための電圧よりも小さい電圧とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の微粒子検出装置。
前記センサ素子の温度を制御することで、前記センサ素子に付着した微粒子を燃焼除去する除去処理を実行する微粒子除去制御手段を、更に備え、
前記電圧制御手段は、前記除去処理の実行中、前記電極間への電圧印加を停止することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の微粒子検出装置。