JP5521578B2

JP5521578B2 - Ｐｍ検出装置

Info

Publication number: JP5521578B2
Application number: JP2010016008A
Authority: JP
Inventors: 正内山; 正文野田; 充宏阿曽
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: WO2011093312A1; JP2011153581A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭを捕集し、堆積したＰＭを高温の排気ガスにより燃焼除去するＤＰＦに係り、簡素な構成で、正確にＰＭの堆積量を検出することができるＰＭ検出装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）を設置し、排気ガスに含まれる煤、すなわち粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を捕集している。ＤＰＦは、主としてセラミックからなり、ハニカム細孔（又は四角い細孔）を多数有するフィルタである。ＤＰＦでは、排気ガスの通路となるハニカム細孔の表面にＰＭが付着することでＰＭが捕集される。

ＤＰＦに捕集されたＰＭが過度に多く堆積すると、内燃機関の排圧が上昇し内燃機関の特性の低下をきたす。そこで、内燃機関において必要に応じて主噴射後に追加燃料噴射を行う追加燃料噴射制御を行うことによって、排気温度を上昇させ、これによってＤＰＦを昇温させてＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させて除去する。この動作をＤＰＦ強制再生という。

ＤＰＦ強制再生時に、ＰＭの堆積量が多いと、大量のＰＭが燃焼して温度が過度に上昇し、ＤＰＦが溶損してしまう。これを避けるためには、ＰＭの堆積量を検出し、その検出した堆積量に基づいてＤＰＦ強制再生を開始するのが望ましい。ところが、従来は、正確に堆積量を検出できないので、安全係数を比較的多く取り、検出した堆積量があまり大きくならないうちにＤＰＦを強制再生している。この結果、必要以上に短い間隔でＤＰＦ強制再生が実行されることになる。

しかし、必要以上に短い間隔でＤＰＦ強制再生を実行すると燃料が余分に消費されることになり、燃費が悪化する。したがって、ＰＭの堆積量を正確に検出し、最も適切な時期にＤＰＦ強制再生を行うようにするのが望ましい。

特開２００８−１３９２９４号公報特開２００９−９７４１０号公報

先に本発明者らは、ＤＰＦに複数の電極を設置すると、電極間の静電容量がＰＭの堆積量によって変化するという知見を得て、これによるＰＭセンサの出願を行った。しかしながら、ＤＰＦに電極を設置したＰＭセンサによる静電容量は非常に小さいため、従来の技術では安価な装置での測定が困難である。

従来技術では、静電容量測定対象に対して固定コンデンサか固定抵抗器を直列に接続しておき、高周波の交流電流を流すことで静電容量測定対象の両端間に電圧を発生させ、この電圧を整流した後、ローパスフィルタに通してＡＤコンバータに入力し、ＡＤコンバータで読み取られた電圧から静電容量を算出する。

ところが、ＰＭセンサの静電容量は非常に小さく、例えば、数ｐＦから数百ｐＦである。印加する交流電流の周波数を数百ＫＨｚ以下とすると、非常にインピーダンスが高い。したがって、検出回路も相応に高いインピーダンスを持つ必要があるが、素子、配線の分布容量などの面から、高いインピーダンスを確保することが難しく、正確な静電容量の測定ができない。

一方、インピーダンスを下げるために、交流電流の周波数を高くすると、通信に使用されている周波数帯となり、不要輻射の問題が生じると共に、ＰＭセンサと検出回路間の配線に発生する定在波の影響のため、配線の長さ、特性インピーダンスにより、ＰＭセンサの特性が大きく変化してしまう。さらに、読み取られた電圧から静電容量を算出するには交流電流の電圧が正確でなければならないが、正確な振幅の交流電源を得るためには、複雑な制御回路が必要となり、動作の安定性やコストの面で不利である。

このように、電極間の静電容量がＰＭの堆積量によって変化するようにしたＰＭセンサでは、従来技術で静電容量を正確に測定することができないため、正確にＰＭの堆積量を検出するのが困難である。

また、ＰＭセンサの設置場所であるＤＰＦと検出回路の設置場所とは、車両内の同じ場所とは限らない。このため、ＰＭセンサから検出回路までを繋ぐ信号ハーネスは、ある程度の長さを有する。ＰＭセンサの静電容量が非常に小さいため、ＤＰＦから検出回路の設置場所まで配線された信号ハーネスが持つ浮遊容量がＰＭセンサの静電容量に対して無視できない。したがって、ＰＭセンサの静電容量から正確にＰＭの堆積量を検出するには、信号ハーネスの浮遊容量を効果的に補正あるいは補償する手段が望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡素な構成で、正確にＰＭの堆積量を検出することができるＰＭ検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）における粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量を検出するＰＭ検出装置であって、ＤＰＦ内に配置された２つの電極間の静電容量がＰＭの堆積量によって変化するＰＭセンサと、電気的に制御される可変抵抗器と３つの固定抵抗器が順次接続され、前記可変抵抗器に前記ＰＭセンサが並列接続され、前記可変抵抗器に隣接する固定抵抗器の１つに、電気的に制御される可変コンデンサと前記ＰＭセンサに付随する浮遊容量に等価な静電容量を有する補償部材とが並列接続されてなるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の４つの接続点のうち、前記可変コンデンサ及び固定抵抗器と前記可変抵抗器及びＰＭセンサとが接続された接続点とその対角に位置する接続点が電圧印加点となっており、前記電圧印加点間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源及び交流電源と、前記電圧印加点間に直流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変抵抗器を調整し、その後、前記電圧印加点間に交流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変コンデンサを調整し、このときの前記可変コンデンサの静電容量からＰＭの堆積量を検出する検出部とを備えたものである。

前記ＰＭセンサと前記可変抵抗器が信号ハーネスを介して接続され、前記補償部材が前記信号ハーネスの浮遊容量、温度係数と等しい浮遊容量、温度係数を有する補償ハーネスからなってもよい。

前記補償ハーネスが前記ブリッジ回路の設置場所から前記ＰＭセンサの設置場所まで前記信号ハーネスに沿わせて配線されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）構成が簡素である。

（２）正確にＰＭの堆積量を検出することができる。

本発明の一実施形態を示すＰＭ検出装置の回路構成図である。本発明のＰＭ検出装置に用いるＰＭセンサの特性図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明のＰＭ検出装置に用いるＰＭセンサの概略構成図である。本発明のＰＭ検出装置におけるハーネス配線を示すイメージ図である。本発明のＰＭ検出装置を搭載した車両の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＰＭ検出装置１は、ＤＰＦ２内に配置された２つの電極間の静電容量がＰＭの堆積量によって変化するＰＭセンサ３と、電気的に制御される可変抵抗器４と３つの固定抵抗器５，６，７が順次接続され、可変抵抗器４にＰＭセンサ３が並列接続され、可変抵抗器４に隣接する固定抵抗器５に電気的に制御される可変コンデンサ８とＰＭセンサ３に付随する浮遊容量Ｃｆに等価な静電容量Ｃｆｃを有する補償部材９とが並列接続されてなるブリッジ回路１０と、ブリッジ回路１０の４つの接続点のうち、可変コンデンサ８及び固定抵抗器５と可変抵抗器４及びＰＭセンサ３とが接続された接続点ａとその対角に位置する接続点ｂが電圧印加点ａ，ｂとなっており、電圧印加点ａ，ｂ間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源１１及び交流電源１２と、電圧印加点ａ，ｂ間に直流電圧を印加してブリッジ回路１０が平衡するよう可変抵抗器４を調整し、その後、電圧印加点ａ，ｂ間に交流電圧を印加してブリッジ回路１０が平衡するよう可変コンデンサ８を調整し、このときの可変コンデンサ８の静電容量からＰＭの堆積量を検出する検出部１３とを備える。

さらに、本実施形態では、ＰＭ検出装置１は、ブリッジ回路１０の４つの接続点のうち、電圧印加点ａ，ｂに挟まれた２つの接続点ｃ，ｄが測定点となっており、測定点ｃ，ｄのそれぞれにプラス入力端子とマイナス入力端子が接続された差動増幅器１４を備え、検出部１３は、電圧印加点ａ，ｂ間に直流電圧が印加されたときには差動増幅器１４の出力が０となるように可変抵抗器４を調整し、電圧印加点ａ，ｂ間に交流電圧が印加されたときには差動増幅器１４の出力が０となるように可変コンデンサ８を調整するようになっている。

ＤＰＦ２は、従来公知のもので、多数のハニカム細孔を有するセラミックから構成される。

ＰＭセンサ３は、図２に示されるように、ＤＰＦ２に捕集されたＰＭの堆積量が増えるとそれに比例して静電容量が増える特性を有する。

図３（ａ）に示したＰＭセンサ３ａは、円柱状のＤＰＦ２の外周の片側半分に沿わせて円筒片状の１つの電極３１を設け、反対側半分に沿わせて円筒片状のもう１つの電極３２を設けたものである。これにより、２つの電極３１，３２がＤＰＦ２を両側から挟んで互いに対向し、ＤＰＦ２にＰＭが捕集されると、電極３１，３２間に存在するＰＭの影響で静電容量が変化する。

図３（ｂ）に示したＰＭセンサ３ｂは、円柱状のＤＰＦ２の外周全体を覆うように円筒状の１つの電極３３を設け、ＤＰＦ２の中心部に円筒状のもう１つの電極３４を設けたものである。これにより、２つの電極３３，３４がＤＰＦ２の内外に同心状に配置され、ＤＰＦ２にＰＭが捕集されると、電極３３，３４間に存在するＰＭの影響で静電容量が変化する。

図３（ｃ）に示したＰＭセンサ３ｃは、円柱状のＤＰＦ２の外周全体を覆うように円筒状の１つの電極３５を設け、ＤＰＦ２の中心部に線が円筒状に複数本配置されてなるもう１つの電極３６を設けたものである。

図３（ｄ）に示したＰＭセンサ３ｄは、円柱状のＤＰＦ２の上流と下流それぞれにメッシュ状の２つの電極３７，３８を設けたものである。

図１の説明に戻る。

可変抵抗器４は、検出部１３から電気的に制御されて抵抗値が変化するものである。例えは、回転式ポテンショメータをステッピングモータで回転させるもの、回転式ポテンショメータをＤＣモータで回転させて回転角センサで回転角を制御するもの、複数の抵抗器からなる梯子回路のタップを切り替えるものなどからなり、適宜な上限抵抗値と下限抵抗値の間で、無段階に、あるいは適宜なきざみで段階的に抵抗値が変化するようになっている。

固定抵抗器５，６，７は、従来公知のものを用いる。固定抵抗器５，６，７の抵抗値は、互いに異なってもよく、互いに等しい抵抗値であってもよい。

可変コンデンサ８は、回転式エアバリコンをステッピングモータで回転させるもの、回転式エアバリコンをＤＣモータで回転させて回転角センサで回転角を制御するもの、静電容量の異なる複数の固定コンデンサを適宜組み合わせて繋ぎ替えることにより、値の異なる複数の合成の静電容量を得るものなどからなり、適宜な上限静電容量と下限静電容量の間で、無段階に、あるいは適宜なきざみで段階的に静電容量が変化するようになっている。

補償部材９は、ＰＭセンサ３に付随する浮遊容量Ｃｆに等価な静電容量Ｃｆｃを有する。ここで、図４に示されるように、ＤＰＦ２内のＰＭセンサ３と回路基板１５に搭載されたブリッジ回路１０の可変抵抗器４（図示省略）とは、信号ハーネス１６で接続されている。ＰＭセンサ３に付随する浮遊容量Ｃｆは、信号ハーネス１６によりもたらされる。したがって、補償部材９は、信号ハーネス１６の浮遊容量Ｃｆが既知であれば単体部品としてのコンデンサでも実現できる。しかし、本実施形態では、補償部材９は、信号ハーネス１６の浮遊容量Ｃｆ及び温度係数と等しい浮遊容量Ｃｆｃ及び温度係数を有する補償ハーネス１７、例えば、信号ハーネス１６と同一仕様、あるいは同一品番の電線を信号ハーネス１６と同じ長さ用いた補償ハーネス１７で構成する。補償ハーネス１７は、ブリッジ回路１０を搭載した回路基板１５の設置場所からＰＭセンサ３が設置されたＤＰＦ２まで信号ハーネス１６に沿わせて配線される必要がある。

図１のブリッジ回路１０は、電圧印加点ａ，ｂと測定点ｃ，ｄを有するいわゆるホイートストンブリッジを構成するものであり、直流時には４つの抵抗からなる抵抗ブリッジとなり、交流時には４つの交流インピーダンスからなる交流インピーダンスブリッジとなる。

直流電源１１は、車載のバッテリ電源あるいはバッテリ電源を一次電源とする二次直流電源などが利用できる。直流電源１１は、電圧印加点ａ，ｂ間に直流電圧を印加するかしないかを検出部１３から制御可能である。

交流電源１２は、ブリッジ回路１０中のＰＭセンサ３と可変コンデンサ８を交流インピーダンスとして動作させるためのもので、例えば、発振器で構成される。周波数としては、不要輻射の問題が生じない低い周波数とするのが好ましく、例えば、数百ＫＨｚ以下とする。交流電源１２は、電圧印加点ａ，ｂ間に交流電圧を印加するかしないかを検出部１３から制御可能である。

検出部１３は、プログラム式のデジタル回路であり、直流電源１１、交流電源１２、可変抵抗器４、可変コンデンサ８を制御すると共に、差動増幅器１４の出力電圧を読み取り、ブリッジ回路１０の平衡点を検出することができる。検出部１３は、車両の燃料噴射等を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に組み込むのが好ましい。

差動増幅器１４は、プラス入力端子とマイナス入力端子の電圧の差を増幅して出力する演算増幅器である。

図５に示されるように、本発明のＰＭ検出装置１は、車両の内燃機関５１から大気までの排気ガスの排出流路５２に挿入されたＤＰＦ２におけるＰＭの堆積量を検出するものである。ＤＰＦ２内にはＰＭセンサ３が設置される。ブリッジ回路１０、直流電源１１（二次直流電源の場合）、交流電源１２、差動増幅器１４は、回路基板１５に搭載される。回路基板１５と検出部１３は、車室内、エンジンルーム内、車体下面など適宜な場所に設置することができる。回路基板１５と検出部１３は、一体化させて同一のユニットとしてもよい。信号ハーネス１６と補償ハーネス１７は、例えば、同一シース内に４本以上の多数の被覆電線を収容した多心ケーブルで実現される。

以下、本発明のＰＭ検出装置１の動作を説明する。

まず、簡単のため、図１のＰＭ検出装置１においてＰＭセンサ３に付随する浮遊容量Ｃｆと補償部材９による静電容量Ｃｆｃを除外して、基本的な動作を説明する。

ＰＭセンサ３においては、２つの電極間の静電容量が捕集されたＰＭの堆積量に応じて図２のようにほぼ直線的に変化する。よって、ＰＭセンサ３の静電容量に基づいてＰＭの堆積量を検出することができる。これは、電極間に導体であるＰＭが入ることで、見かけ上、電極間距離が小さくなり静電容量が大きくなる、また、電極間の媒体中にＰＭが増加して誘電率が大きくなり静電容量が大きくなるからと考えられる。

本発明では、図１のブリッジ回路１０において交流インピーダンスブリッジが平衡状態のとき、可変コンデンサ８の静電容量とＰＭセンサ３の静電容量が等しくなることから、可変コンデンサ８の静電容量に基づいてＰＭの堆積量を検出する。ただし、これに先立ち、ブリッジ回路１０において抵抗ブリッジの平衡を得る必要がある。これは、交流インピーダンスブリッジのみで平衡をとろうとすると、平衡を与える抵抗値と静電容量の組み合わせが複数存在し、静電容量が１つに定まらないからである。

検出部１３は、直流電源１１を制御して電圧印加点ａ，ｂ間に直流電圧を印加する。この状態で、ブリッジ回路１０が平衡するよう可変抵抗器４を調整する。具体的には、検出部１３は、可変抵抗器４の上限抵抗値と下限抵抗値の間で抵抗値を掃引するように可変抵抗器４を制御しつつ、差動増幅器１４の出力を読み込む。ブリッジ回路１０の平衡がとれると、測定点ｃ，ｄ間に電圧の差が生じない状態となるので、差動増幅器１４の出力が０又は微小となる。検出部１３は、差動増幅器１４の出力が０又は微小となる抵抗値に可変抵抗器４を固定する。

その後、検出部１３は、直流電圧の印加を停止し、交流電源１２を制御して電圧印加点ａ，ｂ間に交流電圧を印加する。この状態で、ブリッジ回路１０が平衡するよう可変コンデンサ８を調整する。具体的には、検出部１３は、可変コンデンサ８の上限静電容量と下限静電容量の間で、静電容量を掃引するように可変コンデンサ８を制御しつつ、差動増幅器１４の出力を読み込む。ブリッジ回路１０の平衡がとれると、測定点ｃ，ｄ間に電圧の差が生じない状態となるので、差動増幅器１４の出力が０又は微小となる。

このようにしてブリッジ回路１０が直流と交流において平衡すると、検出部１３は、可変コンデンサ８の静電容量に基づいてＰＭの堆積量を検出する。可変コンデンサ８の静電容量は、検出部１３が制御によって与える値であるので、この値とＰＭの堆積量との対照表をあらかじめ検出部１３に設定しておけば、検出部１３は、対照表からＰＭの堆積量を読み出して検出結果とすることができる。

なお、ブリッジ回路１０の平衡は、直流における平衡と交流における平衡を１回ずつ行うにとどまらず、直流における平衡と交流における平衡を交互に複数回繰り返すのが望ましい。

次に、補償部材９の効果を説明する。

ここまでの説明では、ブリッジ回路１０が直流と交流において平衡したとき、可変コンデンサ８の静電容量とＰＭセンサ３の静電容量が等しくなるとした。しかし、信号ハーネス１６による浮遊容量ＣｆがＰＭセンサ３に付随するため、検出される可変コンデンサ８の静電容量に浮遊容量Ｃｆの成分が含まれてしまう。これに対処し、補償部材９による静電容量Ｃｆｃをあらかじめ付加しておくことで、検出される可変コンデンサ８の静電容量に浮遊容量Ｃｆの成分が含まれないようにすることができる。これにより、ブリッジ回路１０が直流と交流において平衡したとき、可変コンデンサ８の静電容量とＰＭセンサ３の静電容量が正確に等しくなる。

以上説明したように、本発明のＰＭ検出装置１によれば、ブリッジ回路１０が平衡となる可変コンデンサ８の静電容量を探ることによってＰＭセンサ３の静電容量を知ることができる。可変コンデンサ８の静電容量は、検出部１３が制御によって与えた値であるから、正確である。よって、検出されたＰＭの堆積量は正確となる。

本発明のＰＭ検出装置１によれば、交流電源１２が印加する交流電圧の振幅値とは無関係にブリッジ回路１０の平衡をとることができるので、交流電圧の振幅値が正確である必要はない。このため、交流電源１２を構成する発振器回路は、簡素な構成とすることができる。これにより、交流電源１２は安価でありながら、信頼性の高いものとすることができる。

本発明のＰＭ検出装置１によれば、ＰＭセンサ３に付随する浮遊容量Ｃｆに等価な静電容量Ｃｆｃを有する補償部材９が可変コンデンサ８と並列接続されるので、浮遊容量Ｃｆと静電容量Ｃｆｃとが相殺されて、可変コンデンサ８の静電容量をＰＭセンサ３の静電容量に正確に等しく制御することができ、検出されたＰＭの堆積量は正確となる。

本発明のＰＭ検出装置１によれば、補償部材９を信号ハーネス１６の浮遊容量Ｃｆと等しい浮遊容量Ｃｆｃを有する補償ハーネス１７で構成することにより、簡単に補償ハーネス１７を提供できる。

本発明のＰＭ検出装置１によれば、温度係数が信号ハーネス１６と同じの補償ハーネス１７を、ブリッジ回路１０の設置場所からＰＭセンサ３の設置場所まで信号ハーネス１６に沿わせて配線することにより、周囲環境を同じとすることができる。これにより、補償ハーネス１７と信号ハーネス１６の温度を同じにすることができ、温度に依存して浮遊容量Ｃｆと浮遊容量Ｃｆｃがずれることが防止され、ＰＭの堆積量がより正確に検出される。また、補償ハーネス１７と信号ハーネス１６の曲がり形状や近隣の金属部材との距離など浮遊容量に影響する構造的要因を同じにすることができ、構造的要因に依存して浮遊容量Ｃｆと浮遊容量Ｃｆｃがずれることが防止され、ＰＭの堆積量がより正確に検出される。

車両の形式や種類によってブリッジ回路１０の設置場所からＰＭセンサ３の設置場所までの距離がまちまちであるため、信号ハーネス１６の長さが異なり、浮遊容量Ｃｆも異なる。しかし、本発明のＰＭ検出装置１によれば、補償ハーネス１７を信号ハーネス１６に沿わせて同じ長さ配線することにより、浮遊容量Ｃｆと浮遊容量Ｃｆｃを車両の形式や種類によらず同じにできる。

１ＰＭ検出装置
２ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
３ＰＭセンサ
４可変抵抗器
５，６，７固定抵抗器
８可変コンデンサ
９補償部材
１０ブリッジ回路
１１直流電源
１２交流電源
１３検出部
１４差動増幅器
１５回路基板
１６信号ハーネス
１７補償ハーネス

Claims

内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）における粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量を検出するＰＭ検出装置であって、
ＤＰＦ内に配置された２つの電極間の静電容量がＰＭの堆積量によって変化するＰＭセンサと、
電気的に制御される可変抵抗器と３つの固定抵抗器が順次接続され、前記可変抵抗器に前記ＰＭセンサが並列接続され、前記可変抵抗器に隣接する固定抵抗器の１つに、電気的に制御される可変コンデンサと前記ＰＭセンサに付随する浮遊容量に等価な静電容量を有する補償部材とが並列接続されてなるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の４つの接続点のうち、前記可変コンデンサ及び固定抵抗器と前記可変抵抗器及びＰＭセンサとが接続された接続点とその対角に位置する接続点が電圧印加点となっており、前記電圧印加点間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源及び交流電源と、
前記電圧印加点間に直流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変抵抗器を調整し、その後、前記電圧印加点間に交流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変コンデンサを調整し、このときの前記可変コンデンサの静電容量からＰＭの堆積量を検出する検出部とを備えたことを特徴とするＰＭ検出装置。
前記ＰＭセンサと前記可変抵抗器が信号ハーネスを介して接続され、
前記補償部材が前記信号ハーネスの浮遊容量、温度係数と等しい浮遊容量、温度係数を有する補償ハーネスからなることを特徴とする請求項１記載のＰＭ検出装置。
前記補償ハーネスが前記ブリッジ回路の設置場所から前記ＰＭセンサの設置場所まで前記信号ハーネスに沿わせて配線されたことを特徴とする請求項２記載のＰＭ検出装置。