JP5737228B2 - 粒子状物質検出システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出システムに関する。

今日、内燃機関に対して優れた排気浄化性能が求められている。特にディーゼルエンジンにおいては、エンジンから排出される黒煙などのいわゆる排気微粒子（粒子状物質、ＰＭ：Particulate Matter）の除去が重要である。ＰＭを除去するために排気管の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）が装備されることが多い。

排気中のＰＭ量を検出する手段としてＰＭセンサがある。例えばＤＰＦ下流にＰＭセンサを配置した場合、ＰＭセンサの検出値を用いてＤＰＦが故障しているか否かを判定できる。今後さらに自動車の後処理故障検出が厳しくなることが予想されており、ＰＭセンサを装備してＤＰＦの故障検出を行う必要がある。そのためにはＰＭセンサ自体が正常であることが必要であり、ＰＭセンサの故障検出（ＰＭセンサの合理性判断）も重要となる。

電極式のＰＭセンサは、一対の電極が形成された絶縁体の付着部を有する。そのＰＭセンサは、排気通路に設けられ、一対の電極間に電圧が印加されて使用される。排気に含まれるＰＭは、ＰＭセンサの付着部に付着する。ＰＭは、主に、煤（すなわち、カーボン粒子）から構成されており導電性を有するので、付着部にＰＭが一定以上付着すると電極間に電流が流れる（通電する）。その電流の値は、ＰＭの付着量に応じた値、つまり、排気に含まれるＰＭ量に応じた値となるので、その電流値（電流値に相当する電極間の抵抗値）を読み取ることでＰＭ量を検出することができる。

ＰＭセンサの付着部に、多くのＰＭが堆積すると、ＰＭ量の検出の妨げとなるので、ＰＭセンサに多くのＰＭが堆積（付着）したと見なされたら、ＰＭセンサに含まれるヒータによって付着部（あるいは電極）を加熱して、堆積したＰＭを燃焼除去してＰＭセンサを再生している（特許文献１参照）。

特開昭５９−１９６４５３号公報

従来技術の構成で、ヒータの断線による故障は、ヒータに通電しても付着物が全く除去できない（通電状態が変化しない）ことから容易に判定できる。しかし、ヒータの劣化あるいは性能低下については、ヒータに通電できているため、判定を容易に行うことができない。

上記問題点を背景として、本発明の課題は、ＰＭセンサの劣化あるいは性能低下を精度良く検出できる粒子状物質検出システムを提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するための粒子状物質検出システムは、内燃機関（２）の排気通路（６ｂ）に設けられ、一対の電極が形成された絶縁体の付着部（４４）を有し、排気中の粒子状物質が付着部に一定以上付着したときに一対の電極間が導通して、その導通時に付着部に付着した粒子状物質の量に応じた値を出力するセンサ素子（４０）と、センサ素子が出力した値を検出する検出部（４６）と、付着部に付着した粒子状物質を加熱して除去するヒータ（４３）と、ヒータへの通電制御を行うヒータ通電制御部（４５，４９）と、ヒータへ通電を行ったときの、検出部の検出値に基づいて、ヒータの劣化レベルを推定演算する劣化レベル推定演算部（４９）と、を備えることを前提とする。

上記構成によって、ヒータの断線による故障の他に、ヒータの劣化あるいは性能低下についても、検出・判定を行うことができる。また、この検出・判定のために、新たな回路あるいは装置を追加する必要はなく、システムのコストが上昇しないという利点もある。

また、本発明の粒子状物質検出システムにおけるヒータ通電制御部は、ヒータの劣化レベルに応じて、ヒータへの通電状態を補正するように構成できる。

上記構成によって、ヒータが劣化あるいは性能低下していても、ＰＭセンサの再生を行うことができる。

粒子状物質検出システムを適用した内燃機関の排気浄化システムの構成例を示す図。 ＰＭセンサ（粒子状物質検出システム）の構造の例を示す図。 図２のＰＭセンサの構造の詳細を示す図。 ＰＭセンサの出力の例を示すイミングチャート。 ヒータ劣化推定処理を説明するフロー図。 ヒータ劣化レベルと初期上昇量および閾値との関係を説明する図。 ヒータ劣化レベルとヒータ印加電圧との関係を示す図。 ヒータ劣化レベルとヒータ印加デューティとの関係を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。まず図１に、本発明の粒子状物質検出システム、およびこれを適用した内燃機関の排気浄化システム１の構成を示す。排気浄化システム１は、自動車のディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と略称）２の排気を浄化するもので、エンジン２の排気管６（６ａ、６ｂの総称，本発明の排気通路）に、上流側の排気管（６ａ）と下流側の排気管（６ｂ）との間にＤＰＦ３が配置されている。また、ＤＰＦ３の下流側に、排気管６ｂ中のＰＭ量を検出する、本発明の粒子状物質検出システムであるＰＭセンサ４が配置されている。

ＤＰＦ３は、例えば、ウォールフロータイプと呼ばれるセラミックのフィルターが用いられ、このフィルターのハニカム構造を入口側と出口側を交互に目詰めした形をしており、エンジン２からの排気がＤＰＦ３を通過するときに、ＤＰＦ３の壁面あるいは内部に開いた微細な穴に捕集されて、車外に排出される排気が浄化される。通常は、フィルター表面に触媒を担持して、装置内の煤の燃焼・除去を促進させている（いわゆる、酸化触媒付ＤＰＦ）。

ＤＰＦ３に堆積したＰＭの堆積量が十分大きくなったときに、堆積したＰＭを燃焼することによって除去し、ＤＰＦ３を再生する。ＰＭの堆積量は、例えば、ＤＰＦ３の前後差圧とＰＭ堆積量との相関関係を予め求めておいてメモリ（図示せず）にデータテーブルとして記憶しておき、差圧センサを配置して、その検出値とデータテーブルとから推定する。

ＰＭセンサ４はＤＰＦ３より下流の排気中のＰＭ量を検出する。ＰＭセンサ４がＤＰＦ３の下流に装備されていることにより、ＰＭセンサ４によってＤＰＦ３に捕集されずに通過したＰＭ量を検出できる。これによりＤＰＦ３の故障の有無を検出できる。

エンジン２に設けられた燃料噴射弁（図示せず）の開弁時期および閉弁時間の制御、ＤＰＦ３の再生・故障判定等の処理は、電子制御装置５（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）によって行う。ＥＣＵ５は通常のコンピュータと同様の構造を有するもので、各種演算を行うＣＰＵや各種情報の記憶を行うメモリおよび周辺回路（図示せず）を備えている。

図２に、ＰＭセンサ４のセンサ素子４０の構成例を示す。センサ素子４０は、板状の絶縁体からなる基板４４（本発明の付着部）と、基板４４の上に形成された、１対の検出電極（以下、「電極」と略称）４２と、ヒータ４３を含む。そしてセンサ素子４０全体が、例えば金属製のカバー４１で覆われている。カバー４１には１つまたは複数の孔部４１ａが形成されていて、排気管中のＰＭは、孔部４１ａからカバー４１の内側に流入する。そしてＰＭは、自身が持つ粘着性によって電極４２あるいは基板４４に付着、堆積していく。ＰＭは導電性を有するので、センサ素子４０上に堆積したＰＭによって一対の電極４２間が接続されると、電極４２間が導通状態となる。

電極４２間には図示しない電源から電圧が印加されており、センサ素子４０上に堆積したＰＭによって電極４２間が導通状態となると、電極４２間に電流が流れる。ＰＭセンサ４は、例えばその電流値などの測定値（他には、回路上のある部分の電圧値、さらには電圧値、電流値から算出されるインピーダンス値（抵抗値や容量値）などでもよい）を、センサ出力として出力する。

上述のとおり、センサ素子４０の表面のＰＭ堆積量が徐々に増加しても、電極４２間が電気的に接続されるまでは、ＰＭセンサ４の出力値はゼロにとどまり、電極４２間が電気的に接続されると、その状態に応じて、ＰＭセンサ４の出力値がゼロから上昇する。この出力値に基づいて、電極４２間に多くのＰＭが堆積（付着）したと判定されたら、ヒータ４３によってセンサ素子４０を加熱して、堆積したＰＭを燃焼・除去してセンサ素子４０を再生する。

図３に、図２のＰＭセンサ４のより詳細な構成例を示す。ＰＭセンサ４は、上述のセンサ素子４０、電極４２、ヒータ４３に加えて、ヒータ通電部４５（本発明のヒータ通電制御部）、電圧検出部４６（本発明の検出部）、制御部４９（本発明のヒータ通電制御部，劣化レベル推定演算部）を備える。

ヒータ通電部４５は、制御部４９からのヒータ制御指令に基づいて、ヒータ４３への通電状態を調節することによって、センサ素子４０の温度を調節する。電圧検出部４６は電極４２間の電圧を検出し、制御部４９に出力する。

制御部４９は、通常のコンピュータと同様の構造を有するもので、各種演算を行うＣＰＵ（図示せず）や各種情報の記憶を行うメモリ４９ａ、および周辺回路を備えている。ヒータ通電部４５へのヒータ制御指令の出力、センサ素子４０に付着したＰＭ量の情報の外部（例えば、ＥＣＵ５）への出力など、ＰＭセンサ４における全ての制御を司る。

なお、ヒータ通電部４５によるヒータ４３への通電方法は、以下のうちのいずれを用いてもよい。
・ヒータ４３に、予め定められた電圧値を所定時間（図４のＴに相当）印加する。
・ヒータ４３へ通電する電圧をＰＷＭ信号のデューティ比によって制御する構成のときには、予め定められたデューティ比（例えば、５０％）の電圧を所定時間（図４のＴに相当）印加する。
このとき、ヒータ４３は、加熱されて予め定められた温度Ｔｈに達する。

また、ヒータ通電電圧、通電時間、デューティ比は、素子再生時の電極４２間の出力電圧によらず一定値とする。これにより、ＰＭの燃焼・除去の状態（すなわち、電圧検出部４６の検出値）に応じてヒータ通電電圧あるいはデューティ比を可変とする構成よりも、ヒータ通電部４５および制御部４９における素子再生制御を簡略化できる。これが、本発明の、ヒータ通電制御部は、ヒータへ通電中のときは、センサ素子の出力値に関係なく、ヒータへの通電状態を一定に保つ構成に相当する。

図４を用いて、ＰＭセンサ４の再生時の、センサ素子４０のＰＭ付着量（上段部）、電極４２間の出力電圧（中段部）、ヒータ４３の通電状態（下段部）について説明する。センサ素子４０の表面のＰＭ堆積量が閾値Ｂを超えると、制御部４９では、センサ素子４０を再生する必要があると判断し、ヒータ通電部４５へヒータ制御指令を出力する。そして、ヒータ通電部４５は、ヒータ４３を非通電状態から通電状態に遷移させる（図４の時刻Ｔ１の状態に相当）。

時刻Ｔ１で、ヒータ４３を通電状態とすると、電極４２間の出力電圧（すなわち、電圧検出部４６の検出値：センサ出力ともいう）は、ヒータ４３の通電前の状態の電圧値Ｖ０から増加し、時刻Ｔ２で、最大値Ｖｍａｘとなる。これは、センサ素子４０に付着したＰＭの主な構成要素である煤（すなわち、カーボン粒子）の特性によるものである。煤は、熱を加えると抵抗値が低下する特性を有しており、Ｖｍａｘは、ヒータ４３の劣化状態によって変化する。この後、ＰＭが燃焼するにつれて、電極４２間の出力電圧は徐々に低下していく。そして、所定時間経過後（図４の時刻Ｔ３の状態に相当）、ヒータ４３を通電状態から非通電状態に遷移させる。この時点で、ＰＭが燃焼・除去され、電極４２間の出力電圧は減少してゼロ（あるいは、ゼロに近い値）になる。

センサ素子４０の再生時のＰＭの付着量Ｂは、毎回ほぼ同じ値であり、センサ素子４０の再生に要する時間（すなわち、ＰＭの除去時間）は、ＰＭの付着量Ｂとヒータ４３への印加電圧値により事前に計測あるいは推定可能であるため、計測あるいは推定した時間に、ヒータ４３の性能あるいはＰＭの付着量Ｂのばらつきを考慮した時間を加えたものをＰＭの除去時間（すなわち、Ｔ）とすれば、ＰＭの付着状態を監視せず、所定電圧あるいは所定デューティ比でヒータ４３に通電するだけの簡易な制御で、確実にＰＭを除去することができる。

ヒータ４３が劣化すると、上述のヒータ通電電圧あるいはデューティ比によって、ヒータ４３に通電・加熱を行っても、上述の温度Ｔｈに達せず、ＰＭを完全に燃焼・除去することができなくなる。

ヒータ４３の温度を測定して劣化を判定する方法もあるが、基板４４に温度センサを新たに取り付ける必要があり、基板４４の大型化およびコスト上昇は避けられない。また、排気管６ｂの、ＰＭセンサ４の近傍に排気温センサが取り付けられているときには、排気温センサの出力値を基にヒータの温度を推定することもできるが、排気の流れや量によって排気温が変動するので、推定処理が複雑になるという問題がある。

ヒータ４３が劣化して温度がＴｈにまで上昇しないと、付着したＰＭの抵抗値も十分小さくならず、図４のＶｍａｘも、ヒータ４３の正常時よりも小さくなる。そこで、本発明では、図４のＶｍａｘとＶ０との差である、初期上昇量Ａに着目し、この初期上昇量Ａに基づいて、ヒータ４３の劣化を推定する。

具体的には、制御部４９において、ヒータ４３への通電前の、電圧検出部４６の検出値から、センサ素子４０に付着したＰＭの量（Ｂ）を推定する。次に、その量からヒータ４３へ通電したときに発生するＶｍａｘを推定する。ＰＭの量（Ｂ）とＶｍａｘとの関係を、予めメモリ４９ａに記憶しておいてもよい。そして、推定したＶｍａｘ（理想値ともいう）と、ヒータ４３へ通電したときに電圧検出部４６が検出したＶｍａｘ（実測値ともいう）とに基づいて、ヒータ４３の劣化レベルを推定演算する。

上述の構成が、本発明の、劣化レベル推定演算部は、ヒータへの通電前の、検出部の検出値から、付着部に付着した粒子状物質の量を推定し、その量からヒータへ通電したときのセンサ素子の出力の最大値を推定し、推定したセンサ素子の出力値の最大値と、ヒータへ通電したときの検出部の検出値の最大値との差に基づいて、ヒータの劣化レベルを推定演算する構成に相当する。

図５を用いて、ヒータ劣化推定処理について説明する。なお、本処理は、制御部４９において、予め定められたタイミングで繰り返し実行される。まず、電極４２間の出力電圧が所定値（例えば、図４のＶ０）を上回ったか否か、すなわち、センサ素子４０の再生が必要か否かを判定する。該出力電圧が所定値を上回ったとき（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、制御部４９から温度調節部４５に指令を送り、ヒータ４３を通電状態とする（Ｓ１２）。

次に、以下のように、初期上昇量Ａを計算する（Ｓ１３）。初期上昇量Ａ＝Ｖｍａｘ（電極４２間の出力電圧の最大値：実測値）−Ｖ０。

次に、計算した初期上昇量Ａに基づいて、ヒータ劣化レベルを推定演算する（Ｓ１４）。すなわち、上述のＶｍａｘの理想値からＶ０を差し引いたものを、初期上昇量Ａの閾値Ａ０とする。そして、閾値Ａ０と初期上昇量Ａとの差に基づいて、ヒータ劣化レベルを推定演算する。

図６に、ヒータ劣化レベルと、初期上昇量Ａおよび閾値Ａ０との関係を示す。この関係は、メモリ４９ａに予め記憶されている。図６の例では、閾値Ａ０と初期上昇量Ａとの差が大きいほど、すなわち、初期上昇量Ａが小さいほど、ヒータ劣化レベルが高くなっている。また、ヒータ劣化レベルに対して、Ｌ１（補正判定閾値という）、Ｌ２（故障判定閾値という）の２つの閾値を設定している。そして、ヒータ劣化レベルと、これら閾値との比較に基づいて、ヒータの劣化を判断する。これら２つの閾値の範囲Ｌ１〜Ｌ２が、本発明の劣化レベル範囲に相当する。

図５に戻り、以下のように、ヒータ劣化レベルに応じた処理を実行する。まず、ヒータ劣化レベルがＬ１を下回るとき（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、ヒータ４３は正常と判断して、ヒータ通電時の補正を行わない（Ｓ１６）。これは、ヒータ通電制御部は、劣化レベルが、予め定められた補正判定閾値を下回るとき、ヒータへの通電状態を補正しない構成に相当する。上述のように、補正判定閾値は、例えば、劣化レベル範囲の下限値（Ｌ１）とすることができる。

一方、ヒータ劣化レベルがＬ１以上（Ｓ１５：Ｎｏ）、かつＬ２以下のとき（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、以下のいずれかの方法により、ヒータ４３通電状態の補正を行う（Ｓ１８）。これが、本発明の、ヒータ通電制御部は、ヒータの劣化レベルが、予め定められた劣化レベル範囲に含まれるとき、該劣化レベルに応じて、ヒータへの通電状態を補正する構成に相当する。

・図７のように、ヒータ劣化レベルが大きいほど、ヒータ４３への通電時間を長くするように補正する。このとき、印加電圧は変更しない。印加電圧を高くすれば、ヒータ４３の温度も上昇するが、ヒータ４３およびヒータ通電部４５の耐圧を高くする必要があり、部品コストが増大する。一方、前述の構成とすれば、従来の回路構成で実現できるので、部品コストは上昇しない。

・図８のように、ヒータ劣化レベルが大きいほど、ヒータ４３に印加するＰＷＭ信号のデューティ比を大きくするように補正する。例えば、ヒータ劣化レベルがＬ１のときは、デューティ比を５０％→７５％とし、ヒータ劣化レベルがＬ２のときは、デューティ比を５０％→９０％とする。つまり、通電時間を変えずに、ヒータ４３への印加電圧を大きくする。通常、ヒータ通電部４５は、デューティ比を１００％としても問題なく動作するように構成されているので、回路部品の耐圧を超える等の問題は発生しない。

ヒータ劣化レベルと、通電時間あるいはデューティ比との関係は、例えば、マップデータあるいは数式としてメモリ４９ａに予め記憶されている。そして、マップデータを参照して、ヒータ劣化レベルに対応する通電時間あるいはデューティ比を選択し、制御部４９からヒータ通電部４５に、ヒータ制御指令として出力する。

また、一方、ヒータ劣化レベルがＬ２を上回るとき（Ｓ１９：Ｙｅｓ）、ヒータ４３が故障していると判断し、例えば、ＥＣＵ５にヒータ４３が故障している旨の情報を出力する等の処理を実行する（Ｓ２０）。また、ヒータ４３への通電を行わないようにしてもよい。これは、ヒータ通電制御部は、ヒータの劣化レベルが、予め定められた故障判定閾値を上回るとき、ヒータへの通電を行わない構成に相当する。上述のように、故障判定閾値は、例えば、劣化レベル範囲の上限値（Ｌ２）とすることができる。

図６〜図８のように、Ｌ１とＬ２との間に、新たな閾値（Ｌ１１、Ｌ１２：閾値の数は任意）を設定し、要補正領域を細分化して補正を行うようにしてもよい。これにより、よりきめの細かい補正を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

１ 排気浄化システム
２ ディーゼルエンジン（エンジン、内燃機関）
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
４ ＰＭセンサ（粒子状物質検出システム）
５ ＥＣＵ
６（６ａ、６ｂ） 排気管（排気通路）
４０ センサ素子
４２ 検出電極（電極）
４３ ヒータ
４４ 基板（付着部）
４５ ヒータ通電部（ヒータ通電制御部）
４６ 電圧検出部（検出部）
４９ 制御部（ヒータ通電制御部，劣化レベル推定演算部）

Claims (6)

1. 内燃機関（２）の排気通路（６ｂ）に設けられ、一対の電極が形成された絶縁体の付着部（４４）を有し、排気中の粒子状物質が前記付着部に一定以上付着したときに前記一対の電極間が導通して、その導通時に前記付着部に付着した粒子状物質の量に応じた値を出力するセンサ素子（４０）と、
   前記センサ素子が出力した値を検出する検出部（４６）と、
   前記付着部に付着した粒子状物質を加熱して除去するヒータ（４３）と、
   前記ヒータへの通電制御を行うヒータ通電制御部（４５，４９）と、
   前記ヒータへの通電前の、前記検出部の検出値から、前記付着部に付着した粒子状物質の量を推定し、その量から前記ヒータへ通電したときの前記センサ素子の出力の最大値を推定し、
   前記推定した前記センサ素子の出力値の最大値と、前記ヒータへ通電したときの前記検出部の検出値の最大値との差に基づいて、前記ヒータの劣化レベルを推定演算する劣化レベル推定演算部（４９）と、
   を備えることを特徴とする粒子状物質検出システム。
2. 前記ヒータ通電制御部は、前記ヒータの劣化レベルに応じて、前記ヒータへの通電状態を補正する請求項１に記載の粒子状物質検出システム。
3. 前記ヒータ通電制御部は、前記ヒータの劣化レベルが、予め定められた劣化レベル範囲に含まれるとき、該劣化レベルに応じて、前記ヒータへの通電状態を補正する請求項２に記載の粒子状物質検出システム。
4. 前記ヒータ通電制御部は、前記ヒータの劣化レベルが大きいほど該ヒータへの通電時間を長くするように補正する請求項３に記載の粒子状物質検出システム。
5. 前記ヒータ通電制御部は、前記ヒータへ通電する電圧をＰＷＭ信号のデューティ比によって制御し、
   前記ヒータの劣化レベルが大きいほど、前記デューティ比を大きくするように補正する請求項３に記載の粒子状物質検出システム。
6. 前記ヒータ通電制御部は、前記ヒータへ通電中のときは、前記センサ素子の出力値に関係なく、前記ヒータへの通電状態を一定に保つ請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出システム。