JP6207350B2 - 粒子センサの温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスに含まれる粒子状物質を高い検出精度で検出できるようにした粒子センサの温度制御装置に関する。

煙道からの排気ガスやディーゼルエンジンの排気ガスには煤等の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）が含まれており、大気汚染の原因になっている。これらの粒子を除去するために、セラミック等で作製されたパティキュレートフィルタ（例えばディーゼルパティキュレートフィルタ：ＤＰＦ＝登録商標）が広く用いられている。

ディーゼルエンジンの不具合等が発生した場合には、排気ガス中の粒子状物質が増加することにより外部に排出される粒子量が増加することが考えられる。このため、排気ガス中の粒子量を検出することによって、ディーゼルエンジン等の不具合等を早期に認識できるようにすることは重要である。又、パティキュレートフィルタを最適な状態で運転するためにも、パティキュレートフィルタに導入される排気ガス中の粒子量を正確に検出することは好ましい。

排気ガス中の粒子状物質の粒子数（量）を測定するものとしては、粒子の重量、電荷量、光透過（光散乱）等の物理量を検出する測定器は存在しているが、排気ガス中の粒子量を連続して精度良く検出できる粒子センサは存在していない。

一方、研究開発中のものとしては、電極間に粒子状物質を付着させて静電容量や抵抗の変化、又は電荷量等の変化を計測することにより粒子量を検出するようにした粒子センサが提案されている。

放電を用いて排気ガス等の気体中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１は、板状を呈する一の電極と、該一の電極の一方の面を電極間誘電体で被覆し、該電極間誘電体の表面に粒子状物質を含む気体が流れる空間を介し配設されて一の電極との間に印加をされる電圧によって放電をする二の電極と、電極間誘電体の表面に対向して配設された一対の測定電極と、その一対の測定電極の間における電気的特性の測定をする特性測定手段を備えている。

特開２０１０−０３２４８８号公報

特許文献１の粒子状物質検出装置は、一の電極と二の電極の放電により、一の電極と二の電極との間に配置した一対の測定電極の表面及び電極間誘電体の表面に粒子状物質を集塵させ、一対の測定電極の間における電気的特性が、堆積した粒子状物質の量との間に一定の関係を持ちつつ変化することを利用して、電気的特性の変化量を知ることにより集塵をされた粒子状物質の量を検出するというものである。

しかし、特許文献１では、一の電極と二の電極の放電によって、一対の測定電極の夫々の表面及び電極間誘電体の表面に粒子状物質が堆積するため、排気ガス中の粒子状物質の濃度が小さく変化しても、堆積した粒子状物質の量は変化しないことが考えられ、このために、排気ガスに含まれる粒子状物質の量の変化を精度良く検出することができない場合がある。即ち、排気ガス中の粒子状物質の濃度が極めて小さくなった場合にも、堆積している粒子状物質のために排気ガス中の粒子状物質の濃度が高い値として検出されてしまう可能性がある。

従って、排気ガス中の粒子状物質の濃度を精度良く検出するためには、一対の測定電極の表面及び電極間誘電体の表面に堆積した粒子状物質を一旦除去してクリーニングすることが必要になるが、検出の都度クリーニング作業を行うことは大変であり、実用的ではない。

又、放電を利用して堆積した粒子状物質の量を検出する従来の粒子センサにおいては、外気温度が低下して排気ガス中の水分が粒子センサや堆積した粒子状物質に結露することが考えられ、水分が結露すると表面抵抗値が変わり、アーク放電が発生して不安定になるために、粒子センサで検出した電流値から堆積した粒子状物質の量を正確に検出することができない場合がある。

又、ディーゼルエンジンの負荷変動等により排気ガスの温度が上昇すると、誘電体の誘電率は変化し、更に、排気ガスの温度上昇に伴いガス分子エネルギが増加することによって放電電流が増加するため、温度の変化によって堆積した粒子状物質の量を正確に検出できない場合がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなしたものであり、気体中の粒子状物質の検出を簡易に行うことができ、しかも粒子状物質の量を高い精度で検出できるようにした粒子センサの温度制御装置を提供しようとするものである。

本発明の粒子センサの温度制御装置は、第１の電極が絶縁プレートで被覆され、該絶縁プレートの表面は粒子状物質を含む気体が流れる空間に対向しており、前記絶縁プレートの表面には第１の電極との間で放電を行う第２の電極が配置され、前記絶縁プレートの表面における第２の電極と間隔を隔てた位置には検出用接地電極が配置され、第２の電極と検出用接地電極との間を露出させる開口を有して絶縁プレートを被覆する耐熱性の電気絶縁材を備え、第１の電極と第２の電極との間の放電により検出用接地電極に流れる電流値を検出する電流センサを備えた粒子センサの温度制御装置であって、
第２の電極の近傍に配置したヒータと、
第２の電極の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度に基づいて第２の電極が１００℃よりも高い設定温度に保持されるようにヒータを制御する温度制御器と、
を有することを特徴とする。

上記本発明によれば、第２の電極の温度を温度センサにより検出し、温度センサによる検出温度が第２の電極の露点温度よりも高い設定温度になるように温度制御器によってヒータを制御することにより、気体中の水分が粒子センサや堆積した粒子状物質に結露することを防止できる。従って、電流センサは堆積した粒子状物質の量に応じた正確な電流値を安定して検出することができる。

上記粒子センサの温度制御装置において、前記温度センサの検出温度に基づいて前記電流センサにより検出した電流値を温度補正する補正制御器を備えることができる。従って、気体の温度が変化した場合には、補正制御器は温度センサの検出温度に基づいて電流センサにより検出した電流値が補正されるので、温度変化による電流値の誤差を無くして堆積した粒子状物質の量を正確に検出することができる。

又、上記粒子センサの温度制御装置において、前記温度センサは、第２の電極に一体に形成した穴部に耐熱性の絶縁材を介して挿入することで設けることができる。従って、第２の電極に設けた穴部に耐熱性の絶縁材を介して温度センサを挿入することにより、温度センサが放電の影響を受けることを防止できる。

本発明によれば、第２の電極の温度を温度センサにより検出し、温度センサによる検出温度が露点温度よりも高い設定温度に保持されるように温度制御器によってヒータを制御するので、気体中の水分が粒子センサや堆積した粒子状物質に結露することを防止することができ、従って、低温時にも電流センサにより検出される電流値から堆積した粒子状物質の量を正確に安定して検出できるという優れた効果を発揮する。

（ａ）は本発明における粒子センサを適用するディーゼルエンジンの概略構成図、（ｂ）は（ａ）の排気管に粒子センサを設置する状態を示す斜視図である。 本発明における粒子センサの温度制御装置の一実施例を示す正面図である。 図２の粒子センサをＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た矢視図である。 （ａ）は図２の粒子センサをＩＶ−ＩＶ方向から見た矢視図、（ｂ）は（ａ）の第２の電極に一体に形成した穴部に温度センサを挿入する状態を示す斜視図である。 温度センサによる検出温度と一定電圧での電流センサに流れる電流値との関係を示す線図である。 （ａ）は粒子センサによる電流検出状態の作用を示す側面図、（ｂ）は粒子センサによる異常電流が検出された状態の作用を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１（ａ）は本発明による粒子センサを適用するディーゼルエンジンの概略構成図である。図１（ａ）中、１はディーゼルエンジン、２は排気管、３は酸化触媒４を備えて排気管２に設置したパティキュレートフィルタであり、排気管２における前記フィルタ３の上流に粒子センサ５を設けている。６は粒子センサ５に接続されたコントローラである。前記粒子センサ５は、図１（ａ）に示すように、排気管２における前記フィルタ３の上流に設けているが、排気管２における前記フィルタ３の下流に設けることもできる。前記粒子センサ５は、図１（ｂ）に示すように、排気管２に対して半径方向外側から差し込むように設置することができる。

図２〜図４は本発明における粒子センサ５の温度制御装置の一実施例を示すものである。粒子センサ５は、第１の電極７が絶縁基板８の上面に設置してあり、第１の電極７の一方の面（上面）は絶縁プレート９によって被覆されている。絶縁プレート９はガラス板、又は樹脂板とすることができる。前記絶縁プレート９の表面（上面）は、粒子状物質を含む排気ガスＧ（気体）が流れる空間１０に対向している。

前記絶縁プレート９の表面（上面）には、第１の電極７によって放電（沿面放電）を行うようにした第２の電極１１が配置してあり、更に、前記絶縁プレート９の表面における第２の電極１１と間隔Ｈを隔てた位置には検出用接地電極１２を配置している。第２の電極１１と検出用接地電極１２との間隔Ｈは任意に設定することができ、例えば２ｍｍ程度とすることができる。第２の電極１１は、絶縁プレート９を挟んで第１の電極７と対峙する上側部１１ａと、該上側部１１ａから前記絶縁基板８の側部を通り下側に延びることにより図４（ａ）に示すようにコの字状を呈する下側部１１ｂを有している。

前記絶縁プレート９の上面は、第２の電極１１及び検出用接地電極１２と同等の厚さの耐熱性の電気絶縁材１３で被覆してあり、このとき、第２の電極１１の上側部１１ａの上面と検出用接地電極１２の上面、及び、第２の電極の上側部１１ａと検出用接地電極１２との間には電気絶縁材を設けないことにより開口１４を形成している。第２の電極１１の下側部１１ｂは前記電気絶縁材１３により被覆している。１５はケーシング部材である。従って、第２の電極１１の上側部１１ａと検出用接地電極１２を含む開口１４以外の部分は、耐熱性の電気絶縁材１３で被覆することにより空気との接触を断った構成としている。

第１の電極７の端子１６は、交流高電圧を発生する電圧制御器１７に接続されている。電圧制御器１７は例えば１KHzの高周波数の交流高電圧を発生するようにしており、電圧制御器１７はアース１８に接続されている。又、第２の電極１１の端子１９もアース１８に接続されている。

検出用接地電極１２の端子２０は、アース１８に接続されており、更に、端子２０の途中には電流センサ２１が設けられている。電流センサ２１は、第１の電極７と第２の電極１１との間で放電した際に検出用接地電極１２に流れる電荷による電流値２１ａ（放電電流）を検出するようにしている。このとき、放電によって開口１４における第２の電極１１と検出用接地電極１２との間には、図６（ａ）に示すように粒子状物質の粒子Ｓが堆積する。

開口１４に粒子状物質が堆積すると、検出用接地電極１２に流れる電流値（漏れ電流）は大きくなり、このように開口１４に堆積した粒子状物質の量に応じて検出される電流センサ２１の電流値２１ａは前記コントローラ６を構成する補正制御器６ａに入力される。補正制御器６ａは、電流センサ２１により検出した電流値２１ａから演算して求めた粒子量２２を出力する。又、空間１０を流動する排気ガスＧの流量が補正制御器６ａに入力されている場合には、補正制御器６ａからは粒子濃度を出力することができる。

又、第１の電極７の端子１６には、第１の電極７に流れる電流を検出する前記コントローラ６を構成する補助電流センサ２３が設けてあり、該補助電流センサ２３の検出電流２３ａは補助制御器６ｂに入力されている。前記補助電流センサ２３の検出電流２３ａが増加して設定値に達した場合には、開口１４に多量の粒子状物質が堆積したことを表わすので、第１の電極７と第２の電極１１との間の電圧がアークを生じない電圧になるように、補助制御器６ｂは電圧制御器１７に電圧を低下させる指令を出力するようになっている。

前記粒子センサ５における第２の電極１１の近傍位置には、開口１４に位置する第２の電極１１と検出用接地電極１２を加熱するためのヒータ２４を設置している。

又、第２の電極１１には、該第２の電極１１の温度を検出するための温度センサ２５を設けている。図４では、第２の電極１１の上側には、第２の電極１１と同一の材料により半円筒状に一体に突出した突状部２６を設けることにより穴部２７が形成してあり、この穴部２７の内部に、前記温度センサ２５の検出端子２５'を耐熱性の電気絶縁材１３を介して挿入することにより設置している。

前記温度センサ２５による検出温度２５ａは、前記コントローラ６を構成する温度制御器６ｃに入力されており、更に、該温度制御器６ｃには設定温度ｔが入力されている。温度制御器６ｃは、前記温度センサ２５から入力された検出温度２５ａが水の露点以下になることがない、例えば１００℃以上の所定の設定温度ｔに保持されるように、調節器２８を介して前記ヒータ２４による加熱を制御するようにしている。このため、前記開口１４に位置する第２の電極１１及び検出用接地電極１２は、常に１００℃以上の設定温度ｔに保持されるようになる。

又、前記温度センサ２５による検出温度２５ａは、前記補正制御器６ａに入力している。更に、前記補正制御器６ａには、図５に示すように、温度センサ２５による検出温度２５ａと、一定電圧での電流センサ２１に流れる電流値２１ａとの関係を予め求めた関係データＸが入力されている。従って、補正制御器６ａでは、前記電流センサ２１からの電流値２１ａを前記検出温度２５ａに基づいて関係データＸにより補正するようにしている。

以下に、図２〜図４に示す実施例の作用を説明する。

本発明では、第１の電極７と第２の電極１１との間に交流高電圧を掛けて放電（沿面放電）させると検出用接地電極１２にも僅かな電流（放電電流）が流れるので、この検出用接地電極１２の電流値２１ａを電流センサ２１により検出する。電流センサ２１は、例えば周波数１KHzの放電の放電電流を検出することから、早い検出速度で検出用接地電極１２に流れる電流を検出することができる。

第１の電極７と第２の電極１１との間で放電を行うと、第２の電極１１の周囲の排気ガスＧの分子はプラスイオンとマイナスイオンに分離し、排気ガスＧに含まれる粒子状物質は荷電され、荷電された粒子Ｓは、図６（ａ）に示すように、第２の電極１１と検出用接地電極１２の間の露出した表面である開口１４に静電気力により集塵されて堆積する。

このように、開口１４に粒子状物質が堆積すると、堆積した粒子状物質の量に応じて検出用接地電極１２に流れる放電電流の値は増加する。従って、電流センサ２１によって検出用接地電極１２に流れる電流値２１ａを検出することにより、この電流値２１ａから堆積した粒子状物質の量を推測することができる。

しかし、外気温度の低下により排気ガス中の水分が粒子センサ５や堆積した粒子Ｓに結露した場合には、結露した水分によって表面抵抗値が変わりアーク放電が発生して不安定になることから、電流センサ２１で検出した電流値２１ａに基づいて堆積した粒子状物質の量を正確に安定して検出することはできない。

これに対し、本発明では、前記温度センサ２５の検出温度２５ａを前記温度制御器６ｃに入力しており、更に、温度制御器６ｃには設定温度ｔを入力している。そして、温度制御器６ｃは、温度が低下しても、前記温度センサ２５の検出温度２５ａが水の露点以下になることがない、例えば１００℃以上の所定の設定温度ｔに保持されるように、調節器２８を介してヒータ２４を加熱するように制御している。

従って、外気温度の低下及び排気ガスＧの温度の低下によって、温度センサ２５の検出温度２５ａが設定温度ｔに近い温度に低下した場合には、前記温度制御器６ｃはヒータ２４を作動させて第２の電極１１の温度が水の露点以下に低下するのを防止する。これにより排気ガスＧ中の水分が粒子センサ５及び堆積した粒子Ｓに結露することを防止できるので、前記電流センサ２１により、堆積した粒子状物質の粒子量に応じた正確な電流値２１ａが安定して検出される。よって、粒子状物質の量を正確に検出することができる。

一方、粒子センサ５の開口１４に粒子Ｓが徐々に堆積されてしまうと、排気ガスＧに含まれる現在の粒子状物質の量を検出することはできない。

しかし、本発明では、第１の電極７と第２の電極１１との間で放電が繰り返されることで、周辺空気によって作り出される活性酸素、オゾンにより堆積した粒子状物質は酸化され、更に、第２の電極１１及び開口１４の表面温度が上昇することで堆積した粒子状物質は順次酸化（燃焼）されるようになる。このため、開口１４には粒子状物質が堆積するが、所定量以上には堆積しないように常にクリーニングされるようになる。即ち、開口１４に粒子状物質が堆積することによって変化する電流値２１ａが電流センサ２１により検出されるのと同時に、開口１４の自動クリーニングが行われるようになる。従って、開口１４には、図６（ａ）に示すように、排気ガスＧに含まれる粒子状物質の濃度に応じた数の粒子Ｓのみが堆積するようになる。このため、排気ガスＧに含まれる粒子状物質の濃度が僅かに変化した場合にも、それに応じて堆積される粒子Ｓによる電流値２１ａの変化が電流センサ２１によって検出されるので、粒子状物質の量を精度良く検出することができる。

又、第１の電極７の端子１６に設けた補助電流センサ２３が設定値を超える検出電流２３ａを検出した場合には、図６（ｂ）に示すように、第２の電極１１と検出用接地電極１２との間の開口１４に多量の粒子状物質が堆積したと判断して、補助制御器６ｂは第１の電極７と第２の電極１１との間にアークを生じさせない電圧になるように電圧制御器１７を制御する。具体的には、補助電流センサ２３が異常電流を高い頻度で検出した場合には、電圧制御器１７により電圧を下げる、或いは電源を停止する。これにより、開口１４に多量に堆積した粒子状物質は、順次酸化（燃焼）させる、或いは、除去作業によって除去することができる。

また、ディーゼルエンジンの負荷変動等により排気ガスＧの温度が上昇すると、誘電体（絶縁材）の誘電率は変化し、更に、排気ガスＧの温度上昇によりガス分子エネルギが増加して放電電流は増加するようになる。このため、堆積した粒子状物質の量を検出する電流センサ２１の電流値２１ａから実際の粒子量を正確に求めることはできない。

このため、本発明では、第２の電極１１に設けた温度センサ２５によって第２の電極１１の温度を検出し、その検出温度２５ａを前記補正制御器６ａに入力しており、更に、図５に示すように、温度センサ２５による検出温度２５ａと、一定電圧での電流センサ２１に流れる電流値２１ａとの関係を予め求めておいて、その関係データＸを前記補正制御器６ａに入力している。

従って、図５に示すように、例えば温度センサ２５の検出温度２５ａが２００℃〜７００℃に上昇すると放電電流が増加することによって電流センサ２１による電流値２１ａは急激に増加するが、図２の補正制御器６ａは、例えば１２０℃前後の安定した電流値２１ａに換算することにより、図６（ａ）の開口１４に堆積した粒子Ｓを、温度の影響を排除した正しい粒子量２２として検出し、出力することができる。即ち、補正制御器６ａは、電流センサ２１によって検出した電流値２１ａを、温度センサ２５の検出温度２５ａに基づいて温度補正するようにしている。又、補正制御器６ａは、粒子濃度を求めて出力することもできる。

又、前記温度センサ２５は、第２の電極１１に一体に形成した穴部２７に、検出端子２５'を耐熱性の絶縁材１３を介して挿入することで設置したので、第２の電極１１と前記検出用接地電極１２による放電の影響を温度センサ２５が受けることを防止できる。

尚、本発明の粒子センサの温度制御装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、排気ガス以外の気体に含まれる粒子状物質の検出にも適用できること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

５ 粒子センサ
６ａ 補正制御器
６ｃ 温度制御器
７ 第１の電極
９ 絶縁プレート
１０ 空間
１１ 第２の電極
１２ 検出用接地電極
１３ 耐熱性の電気絶縁材
１４ 開口
２１ 電流センサ
２１ａ 電流値
２２ 粒子量
２３ 補助電流センサ
２３ａ 検出電流
２４ ヒータ
２５ 温度センサ
２５ａ 検出温度
２７ 穴部
Ｇ 排気ガス（気体）
Ｈ 間隔
ｔ 設定温度

Claims (3)

1. 第１の電極が絶縁プレートで被覆され、該絶縁プレートの表面は粒子状物質を含む気体が流れる空間に対向しており、前記絶縁プレートの表面には第１の電極との間で放電を行う第２の電極が配置され、前記絶縁プレートの表面における第２の電極と間隔を隔てた位置には検出用接地電極が配置され、第２の電極と検出用接地電極との間を露出させる開口を有して絶縁プレートを被覆する耐熱性の電気絶縁材を備え、第１の電極と第２の電極との間の放電により検出用接地電極に流れる電流値を検出する電流センサを備えた粒子センサの温度制御装置であって、
   第２の電極の近傍に配置したヒータと、
   第２の電極の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度に基づいて第２の電極が１００℃よりも高い設定温度に保持されるようにヒータを制御する温度制御器と、
   を有することを特徴とする粒子センサの温度制御装置。
2. 前記温度センサの検出温度に基づいて前記電流センサにより検出した電流値を温度補正する補正制御器を有することを特徴とする請求項１に記載の粒子センサの温度制御装置。
3. 前記温度センサは、第２の電極に一体に形成した穴部に耐熱性の絶縁材を介して挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子センサの温度制御装置。

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