JP6365501B2

JP6365501B2 - 粒子状物質検出装置

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Publication number: JP6365501B2
Application number: JP2015207173A
Authority: JP
Inventors: 豪宮川; 田村　昌之; 昌之田村; 真宏山本; 貴司荒木; 坂輪　年洋; 年洋坂輪; 祐人勝野; 学吉留
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2018-08-01
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Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置に関する。

従来、粒子状物質センサにより、ディーゼルエンジン等の排気に含まれる粒子状物質（Particulate Matter、以下「PM」という）を検出した後に、粒子状物質センサの素子部を、ＰＭを燃焼させる所定の温度域に制御して、素子部に堆積したＰＭを燃焼させて除去する装置がある。この種の装置を適用するエンジンは、ＰＭを燃焼させて除去する前に停止することがある。その場合、堆積したまま残っているＰＭの性状が、エンジン停止中や再始動時の環境により変化してしまい、エンジン停止前の状態から継続してＰＭの検出を続けると、検出誤差が大きくなるおそれがある。

そこで、特許文献１に記載の粒子状物質検出センサは、エンジンの始動時に、素子部の表面に堆積したＰＭを燃焼除去する燃焼制御を実施している。ただし、加熱中の素子部が排気管中や排気中の水により被水すると、素子部が割れるおそれがある。そこで、特許文献１に記載の粒子状物質検出センサは、エンジンの運転状態から被水危険度を算出し、水が乾燥して被水危険度が許容範囲となるまで待ってから、上記燃焼制御を実施している。

特開２０１２−１２９６０号公報

排気中に含まれる凝縮水には、燃料、エンジンオイル及び排気管等に由来する金属成分や添加剤成分等の汚染物質が含まれていることがある。エンジンの始動後に、排気温の上昇に伴って水分が蒸発していくと、凝縮水中の汚染物質の濃度は次第に高くなる。高濃度の汚染物質を含む凝縮水が素子部の表面に付着した場合、汚染物質が乾燥して素子部の表面に残留し、素子部の機能が低下したり喪失したりするという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑み、素子部を乾燥させる際に、素子部の被水割れを防止するとともに、汚染物質による素子部の被毒を抑制可能な粒子状物質検出装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、粒状物質検出装置であって、内燃機関（２０）の排気中に含まれる粒子状物質を付着させる素子部（４１）と、前記素子部を加熱するヒータ（４４）と、前記素子部の電気的特性に基づいて前記粒子状物質の量を検出する検出部（７０）と、前記内燃機関の排気通路中の水の量を推定する推定部（６０，７０）と、推定された前記水の量が排水閾値よりも多い場合に、前記ヒータにより前記素子部を被水量に関わらず被水割れの起きない温度域に加熱する第１温度制御部（６０）と、推定された前記水の量が前記排水閾値未満の場合に、前記排気通路の排水が完了していると判定する排水判定部（７０）と、前記排水が完了していると判定された場合に、前記ヒータにより前記素子部を、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも低く且つ前記素子部に付着した前記水が撥水する撥水温度域に所定期間加熱する第２温度制御部（６０）と、を備える。

本発明によれば、排気通路中の水の量が排水閾値よりも多いと判定された場合には、ヒータにより素子部が加熱され、素子部が被水量に関わらず被水割れの起きない温度域に制御される。排気通路中の水の量が排水閾値よりも多い場合、排気通路は浸水状態となっており、排気の温度も比較的低い。そのため、素子部を被水量に関わらず被水割れの起きない温度域に加熱しても、素子部の温度を排気の温度よりも高く又は排気の温度に近くすることができる。その結果、素子部から排気へ汚染物質が熱泳動する、又は素子部への汚染物質の熱泳動を抑制することができる。よって、素子部の被水割れを防止するとともに、汚染物質による素子部の被毒を抑制することができる。

また、排気通路の排水が完了していると判定された場合には、素子部は、粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも低く、且つ素子部に付着した水がライデンフロスト現象により撥水する撥水温度域に、所定期間加熱される。排気通路の排水が完了した後は、素子部の温度を水が撥水する撥水温度域まで上昇させても、素子部の被水割れを防止できる。さらに、素子部に付着する水が撥水することにより、素子部に汚染物質が付着せず、汚染物質による素子部の被毒を抑制することができる。よって、素子部を乾燥させる際に、素子部の被水割れを防止するとともに、汚染物質による素子部の被毒を抑制することができる。

各実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図。エンジンの排気通路にＰＭセンサを取り付けた状態を示す概略断面図。ＰＭセンサの素子部及びヒータ部の概略構成図。第１実施形態に係る（ａ）車速、（ｂ）排気通路中の水量、（ｃ）素子温度のタイムチャート。従来の素子温度のタイムチャート。素子温度と耐被水量との対応を示す図。排気通路中の水量と素子部の最大被水量との対応を示す図。素子部を加熱した際における、浸水時と非浸水時の素子温度のタイムチャート。ＰＭの量を検出する処理手順を示すフローチャート。第２実施形態に係る（ａ）車速、（ｂ）排気通路中の水量、（ｃ）素子温度のタイムチャート。

以下、粒子状物質検出装置（以下、ＰＭ検出装置という）を、車両に搭載されたエンジンシステムへ適用した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るエンジンシステム１０の構成について説明する。図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン２０を備える。エンジン２０（内燃機関）は、例えば、ディーゼルエンジンである。エンジン２０には、吸気通路１２と排気通路１３とが接続されている。排気通路１３には、排気浄化装置１４が装着されている。排気浄化装置１４は、エンジン２０から排出された排気から有害成分を除去するように構成されている。有害成分は、窒素酸化物、燃料の未燃あるいは不完全燃焼によって生じたＨＣやＣＯ等の炭素化合物、ＰＭ等である。特に、本実施形態においては、排気浄化装置１４には、ＰＭ捕集フィルタ１５が設けられている。排気浄化装置１４の構成については周知であるので、詳細な説明は省略する。

また、エンジンシステム１０には、温度センサ１６及びＰＭ検出装置８０が設けられている。温度センサ１６は、排気浄化装置１４よりも排気通路１３の上流側に配設されており、排気温度を監視している。後述するＥＣＵ７０は、排気温度に基づいて、排気浄化装置１４やＰＭ捕集フィルタ１５の状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、再生制御を行っている。

ＰＭ検出装置８０は、ＰＭセンサ５０、ＳＣＵ６０（センサコントロールユニット）、及びＥＣＵ７０を備える。

ＰＭセンサ５０は、排気浄化装置１４よりも排気通路１３の下流側に配設されており、ＰＭ捕集フィルタ１５を通過して下流側にすりぬけるＰＭを検出する。以下、ＰＭセンサ５０の構成について、図２及び図３を参照して説明する。ＰＭセンサ５０は、センサ部４０、カバー体４００、筒状ハウジング５００、及び筒状インシュレータ６００を備える。筒状ハウジング５００は、排気通路１３の通路壁に螺結され、筒状インシュレータ６００は、筒状ハウジング５００の内部に保持される。カバー体４００は、内部が中空に形成されており、筒状ハウジング５００の下端部に固定されて、排気通路１３内に突出している。センサ部４０の上半部は、筒状インシュレータ６００に挿入固定され、センサ部４０の下半部は、カバー体４００の中空部分に位置している。カバー体４００の底部及び側部には、ＰＭ捕集フィルタ１５を通過したＰＭを含む排気が流出入するための通孔４１０，４１１が穿設されている。

ＰＭセンサ５０のセンサ部４０は、素子部４１とヒータ部４７とから構成されている。素子部４１は、絶縁基板４５における一の表面４５ａ上に、所定の電極間距離をおいて対向する櫛歯形状の一対の電極４２，４３が形成されて構成されている。一対の電極４２，４３は、ＳＣＵ６０の制御回路６１に接続されている。絶縁基板４５は、アルミナ、ジルコニア、べリリア、ムライト、窒化珪素等の電気絶縁性及び熱耐性に優れたセラミックス材料を、ドクターブレード法、プレス形成法等の公知の手法により平板状にして形成されている。素子部４１には、通孔４１０，４１１から流入した排気中に含まれるＰＭが付着する。ＰＭは導電性を有する煤粒子等が含まれているため、ＰＭが電極４２と電極４３との間に付着すると、電極間の電気抵抗は所定の程度まで低下する。すなわち、電極間にＰＭが付着すると、素子部４１の電気的特性が変化する。

ヒータ部４７は、絶縁基板４５と同様の手法で形成された絶縁基板４６の一の表面４６ａ上に、ヒータ４４が形成されて構成されている。ヒータ４４は、ＳＣＵ６０のヒータ電源に接続されている。ヒータ部４７は、ヒータ４４が電極４２，４３の直下になるように配置されて、素子部４１を効率よく所定温度に加熱する。なお、絶縁基板４５と絶縁基板４６は一体化されていてもよい。すなわち、ヒータ４４は、素子部４１の絶縁基板４５に内蔵されており、センサ部４０が素子部４１のみから構成されていてもよい。

ＳＣＵ６０は、制御回路６１及びヒータ電源６２を備える。ヒータ電源６２は、ヒータ４４に供給される電力の電源となる。制御回路６１は、電極４２，４３間の電気抵抗を検出し、検出した電気抵抗に応じた電気信号をＥＣＵ７０へ送信する。制御回路６１は、適宜ＥＣＵ７０と情報をやり取りする。また、制御回路６１は、ヒータ電源６２の駆動を制御して、ヒータ４４の温度すなわちヒータ４４で加熱される素子部４１の温度を制御する。詳しくは、制御回路６１は、後述する第２推定部、第１温度制御部、第２温度制御部、及び第３温度制御部の機能を実現する。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ及びＩ／Ｏ等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。ＥＣＵ７０は、検出部、並びに後述する第１推定部、排水判定部、及び乾燥判定部の機能を実現する。検出部は、素子部４１の電気的特性基づいてＰＭの量を検出する。詳しくは、検出部は、制御回路６１から送信された電気信号と、電気信号とＰＭの量との対応マップ等とから、ＰＭの量を検出する。また、ＥＣＵ７０は、エンジン２０の制御や、ＰＭ捕集フィルタ１５の再生制御を実施する。

次に、ＰＭ検出装置８０の詳しい作動について、適宜図面を参照して説明する。ＰＭ捕集フィルタ１５に何らかの異常が生じて正常な捕集が困難になると、ＰＭ捕集フィルタ１５の下流側に放出されるＰＭの量が急増する。ＥＣＵ７０は、検出したＰＭの量を監視し、正常時よりも明らかに多い場合には、ＰＭ捕集フィルタ１５の異常を判定する。ただし、ＰＭ捕集フィルタ１５が正常であっても、素子部４１におけるＰＭの堆積量が一定量を超える場合には、電極間抵抗が小さくなり、ＰＭの検出精度が低下する。そのため、素子部４１にＰＭがある程度堆積した場合には、堆積したＰＭを燃焼させて除去するセンサ再生制御を実施することが望ましい。

しかしながら、センサ再生制御を実施する前に、エンジン２０が停止することがある。このような場合には、エンジン２０が再始動した際に、素子部４１に残留しているＰＭの性状が、エンジン２０が停止した時から変化することがある。例えば、排気通路１３が高温の状態でエンジン２０が停止した場合には、素子部４１に残留したＰＭの可溶性有機成分（ＳＯＦ）のみ蒸発することが考えられる。そのため、素子部４１にＰＭが残留した状態でエンジン２０が停止し再始動した場合には、ＰＭセンサ５０の出力に誤差が生じることが考えられる。

そこで、エンジン２０の始動時に、ヒータ４４へ通電して、素子部４１をＰＭが燃焼する燃焼温度域（例えば６５０℃〜）内の燃焼温度Ｔ２に加熱して、残留しているＰＭを燃焼除去した後、再度ＰＭの検出を開始することが考えられる。素子部４１の温度はヒータ４４の温度とみなせ、ヒータ４４の温度は、ヒータ４４の抵抗値から算出したり、温度センサを素子部４１に設置して検出したりして取得できる。

ここで、エンジン２０の始動時には、エンジン２０の停止中に排気中に含まれる水蒸気が凝縮し、排気通路１３に凝縮水が溜まっていることが多い。排気通路１３に凝縮水が溜まっていると、凝縮水が通孔４１０，４１１からカバー体４００内へ流入し、素子部４１やヒータ部４７が被水する。素子部４１やヒータ部４７が被水した状態で、素子部４１を燃焼温度域に加熱すると、素子部４１の絶縁基板４５やヒータ部４７の絶縁基板４６が被水割れを起こす。そこで、被水割れを防止するため、センサ部４０が乾燥するのを待ってから、ＰＭの燃焼除去が行われる。従来、図５に示すように、エンジン２０の始動後、排気温度の上昇に伴い成り行きで水分が蒸発して、センサ部４０が乾燥してから、ＰＭの燃焼除去を行っていた。

しかしながら、凝縮水は、硫酸カルシウムや硫酸マグネシウム等の金属成分等の汚染物質を含むことがある。これらの汚染物質は、一般にＡｓｈ（アッシュ）と呼ばれ、エンジンオイルに含まれるカルシウム等の金属成分や、燃料に含まれる硫黄等に由来する絶縁性物質である。凝縮水の水分が蒸発していくと、凝縮水中の汚染物質の濃度は次第に高くなる。素子部４１が被水した状態で水分が蒸発すると、電極４２，４３が設けられた素子部４１の表面４５ａに汚染物質が乾燥して残留し、素子部４１が被毒する。素子部４１が被毒すると、ＰＭセンサ５０の機能が劣化又は喪失するおそれがある。

素子部４１の被毒を抑制する手法として、ライデンフロスト現象を発生させて、凝縮水を撥水させる手法が考えられる。ライデンフロスト現象が生じると、素子部４１の面４１ａと凝縮水との間に水蒸気の相が形成され、面４１ａと凝縮水とが接触することなく、凝縮水は面４１ａを滑り落ちる。よって、図４に示すように、ＰＭの燃焼除去を行う前に、素子部４１をライデンフロスト現象が生じる撥水温度域内の撥水温度Ｔ１に加熱することにより、素子部４１の被毒を抑制できるとともに、凝縮水の付着による素子部４１の急冷を抑制することができる。撥水温度域は、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも低く且つ素子部４１に付着した水が撥水する温度域であり、３００℃〜８００℃、例えば３５０℃〜６００℃である。

ただし、ライデンフロスト現象が生じる撥水温度域は比較的高温域である。そのため、排気通路１３が浸水状態となっている場合には、素子部４１の被水量が多く、素子部４１を撥水温度域まで加熱すると、素子部４１やヒータ部４７が被水割れする可能性がある。ここでの浸水状態とは、排気通路１３に水が溜まっているような状態である。排気通路１３が浸水状態になる状況としては、大雨等の災害時に外部から排気通路１３へ水が流入し、排気通路１３内に流入した水が溜まっている場合や、排気通路１３の温度が低く、結露により発生した凝縮水の量が比較的多い場合が考えられる。なお、被水量は、素子部４１に降りかかる水滴の量であり、素子部４１の被水量と、素子部４１とヒータ部４７とから成るセンサ部４０の被水量とには一定の関係がある。

上述したように、素子部４１が被水した状態で水分が蒸発すると、素子部４１が被毒する虞がある。よって、素子部４１の被水量が非常に多い場合に、排気温度の上昇に伴う成り行きにより、被水量を撥水温度域における被水割れを起こさない程度まで減少させると、素子部４１が被毒するおそれがある。ここで、図６は、素子温度と、被水割れを起こさない被水量の上限値（被水割れを起こす下限値）である耐被水量と、の関係を曲線で示す。曲線の内側（下側）すなわち原点側が被水割れしない領域であり、曲線の外側（上側）が被水割れする領域である。図６にハッチングで示すように、素子部４１の被水量に関わらず、素子部４１が割れない温度域が存在する。よって、図４に示すように、素子部４１の被水量が非常に多い場合は、素子部４１の被水量がある程度まで減少するまでの間、素子部４１を割れない温度域内の割れない温度Ｔ０に加熱すればよい。割れない温度域としての温度Ｔ０は、例えば１４０℃〜２００℃である。

素子部４１が浸水状態となっている場合、排気温度も比較的低い。そのため、素子部４１を割れない温度域に加熱しても、素子部４１の温度を排気温度よりも高く、又は排気温度近くにすることができる。その結果、素子部４１から排気へ汚染物質が熱泳動する、又は、排気から素子部４１への汚染物質の熱泳動を抑制することができる。これにより、センサ部４０の被水割れを防止できるとともに、汚染物質による素子部４１の被毒を抑制することができる。以下、制御回路６１及びＥＣＵ７０の各機能について詳細を説明する。

第１推定部は、排気通路１３中の水の量を推定する。排気通路１３に存在する凝縮水は、燃焼した燃料の量や、吸気に含まれる水分で決まる。具体的には、第１推定部は、エンジン２０の前回の停止前の運転状態、エンジン２０の前回の運転停止からの時間、エンジン２０の今回の始動後の運転状態、エンジン２０の今回の始動からの時間、及びエンジン２０の今回の始動時の外気温の少なくともいずれかに基づいて、排気通路１３中の水の量を推定する。ここで推定される水の量は凝縮水の量となる。停止前のエンジン２０の運転状態を考慮することにより、エンジン２０の再始動直後における排気通路１３内の凝縮水の量の推定精度が良くなる。また、エンジン２０の再始動直後における運転状態を考慮することにより、現時点の凝縮水の量の推定精度が良くなる。

第２推定部は、ＰＭセンサ５０の情報に基づいて、排気通路１３中の水の量を推定する。具体的には、第２推定部は、ヒータ４４により素子部４１を加熱した際に、素子部４１の昇温速度が所定速度未満の場合に、排気通路１３内の水の量を後述する閾値Ｌ１（排水閾値）よりも多い量に推定し、素子部４１の昇温速度が所定速度より大きい場合に、水の量を閾値Ｌ１以下に推定する。なお、所定速度は排気温と排気流速、投入電力から推定される素子部４１の昇温速度を用いてもよい。

図８に示すように、排気通路１３が浸水状態となっている場合、素子部４１も水に浸漬している場合がある。素子部４１が水に浸漬している場合、素子部４１が水に浸漬していない場合と比べて、素子部４１を加熱した際における素子部４１の昇温速度が遅くなる。よって、素子部４１の昇温速度が所定速度未満の場合には、水の量を閾値Ｌ１よりも多い量すなわち浸水状態と推定することができる。ここで推定される水の量は、排気通路１３内に存在する全ての水の量であり、外部から排気通路１３内へ水の流入がある場合には、外部からの流入量と凝縮水の量とを合わせた水の量が推定される。

または、第２推定部は、素子部４１に所定電圧を印加することにより流れる電流が所定電流を超える場合に、排気通路１３内の水の量を閾値Ｌ１よりも多い量すなわち浸水状態に推定し、電流が所定電流未満の場合に、水の量を閾値Ｌ１以下に推定する。ここで推定される水の量も、排気通路１３内に存在する全ての水の量となる。

不純物を含む水は導電性を有するため、素子部４１が水に浸漬している場合に、素子部４１に所定電圧を印加すると、所定電流を超える電流が流れる。よって、素子部４１に所定電圧を印加することにより流れる電流が所定電流を超える場合には、水の量が閾値Ｌ１よりも多い量と推定することができる。なお、上述したように、ＰＭも導電性を有するため、素子部４１の電極４２，４３間にＰＭが堆積している場合にも、所定電圧を印加すると電流が流れる。よって、エンジン２０の前回の停止時において、素子部４１におけるＰＭの堆積量が所定の堆積量よりも少なく、ＰＭの堆積により素子部４１に流れる電流が比較的小さい場合に、第２推定部は、素子部４１に流れる電流に基づいて水の量を推定する。なお、本実施形態では、第１推定部及び第２推定部から推定部が構成される。

ここで、閾値Ｌ１について説明する。素子部４１を撥水温度域に加熱した際に、被水割れの起きる素子部４１の被水量を排水被水量とする。図６に示すように、素子部４１を撥水温度域の下限値に加熱した際、被水割れの起きる被水量の下限値は被水量Ｗ１である。この被水量Ｗ１が排水被水量である。

また、図７は、排気通路１３中の水の量と、素子部４１の最大被水量との関係を曲線で示す。最大被水量は、対応する水の量が排気通路１３中に存在する状態で、車両が急加速又は急停止した際に、素子部４１に降りかかる水量の最大値である。排気通路１３中の水の量を換算して、最大被水量を算出することができる。図７に示すように、閾値Ｌ１は、最大被水量を被水量Ｗ１とした場合に、最大被水量に対応する水の量以下の値となる。すなわち、閾値Ｌ１は、素子部４１を撥水温度域に加熱したとしても、排気通路１３に、素子部４１が被水割れしない程度の水の量しかないと判定できる閾値である。閾値Ｌ１は、例えば１Ｌ（リットル）である。１Ｌは、排気中に含まれる凝縮水の量が比較的多い場合の量である。このように閾値Ｌ１を設定することにより、排気通路１３中の水の量が閾値Ｌ１未満の場合に、素子部４１を撥水温度域内の撥水温度Ｔ１に加熱しても、素子部４１の被水割れ及び被毒が抑制される。

なお、図６及び図７に示す対応関係は、予め実験等により取得しておく。また、図７において、排気通路１３中の水の量がある程度以上となると、最大被水量が飽和するのは、ある程度の水の量で素子部４１の排気に暴露される部分の全面が被水すると、排気通路１３中の水の量がそれ以上増えても、最大被水量は増加しないためである。

第１温度制御部は、推定された排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ１よりも多いと判定された場合に、すなわち排気通路１３が浸水状態と判定された場合に、ヒータ４４により素子部４１を割れない温度域に加熱する。このとき、素子部４１を一定温度にする必要はなく、割れない温度域内に収まっていれば、素子部４１の温度は変動してもよい。この結果、凝縮水に含まれる汚染物質は、素子部４１から排気へ熱泳動により移動する。

排水判定部は、推定された排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ１以下の場合に、排気通路１３の排水が完了していると判定する。排水が完了している状態とは、素子部４１の表面が全体的に被水している状態ではないが、排気通路１３の表面に部分的に水滴が付いている状態である。

第２温度制御部は、排気通路１３の排水が完了していると判定された場合に、ヒータ４４により素子部４１を撥水温度域に所定期間加熱する。素子部４１の温度は、撥水温度域内で変動してもよい。この所定期間は、排水が完了していると判定された時から、乾燥判定部により、排気通路１３の乾燥が完了していると判定された時までの期間である。

乾燥判定部は、推定された水の量が閾値Ｌ２（乾燥閾値）よりも小さくなった場合に、排気通路１３の乾燥が完了していると判定する。

ここで、閾値Ｌ２について説明する。素子部４１を撥水温度域に加熱した際に、被水割れの起きる素子部４１の被水量を乾燥被水量とする。図６に示すように、素子部４１を燃焼温度域の下限値に加熱した際、被水割れの起きる被水量の下限値は被水量Ｗ２である。この被水量Ｗ２が乾燥被水量である。図７に示すように、閾値Ｌ２は、最大被水量を被水量Ｗ２とした場合に、最大被水量に対応する水の量以下の値となる。すなわち、閾値Ｌ２は、素子部４１を燃焼温度域に加熱したとしても、排気通路１３に、素子部４１が被水割れしない程度の水の量しかないと判定できる閾値である。閾値Ｌ２は、例えば０．１Ｌである。このように閾値Ｌ２を設定することにより、排気通路１３中の水の量が閾値Ｌ２未満の場合に、素子部４１を燃焼温度域内の燃焼温度Ｔ２に加熱しても、素子部４１の被水割れ及び被毒が抑制される。

第３温度制御部は、排気通路１３の乾燥が完了していると判定された場合に、ヒータ４４により素子部４１を燃焼温度域に所定期間加熱する。素子部４１の温度は、燃焼温度域内で変動してもよい。この所定期間は、堆積しているＰＭを除去するために十分な期間である。図４に示すように、堆積しているＰＭを燃焼除去した後、ヒータ４４による加熱を停止し、エンジン２０の停止までＰＭの検出を続ける。なお、エンジン２０の始動時に、排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ２未満の場合には、素子部４１を割れない温度域で加熱することなく、最初から撥水温度域で加熱すればよい。

次に、ＰＭの量を検出する処理手順について、図９のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン２０の始動に伴い、ＥＣＵ７０及び制御回路６１が実行する。

まず、ステップＳ１０において、素子部４１の電極４２，４３に所定電圧を印加するとともに、ヒータ４４を通電する。そして、排気通路１３内の水の量を、エンジン２０の運転状態等、素子部４１の昇温速度、素子部４１に流れる電流からそれぞれ推定する。続いて、ステップＳ１１において、推定した水の量が閾値Ｌ１よりも多いか否か判定する。詳しくは、ステップＳ１１では、エンジン２０の運転状態等、素子部４１の昇温速度、素子部４１に流れる電流からそれぞれ推定した水の量の少なくとも１つが、閾値Ｌ１よりも多いか否か判定する。なお、ステップＳ１１において、推定した３つの水の量のうち、少なくとも２つあるいは全てが閾値Ｌ１よりも多い場合に、肯定判定としてもよい。

ステップＳ１１において、推定した水の量が閾値Ｌ１よりも多いと判定された場合、すなわち浸水状態と判定された場合は、続いて、ステップＳ１２において、ヒータ４４の通電を制御して、素子部４１を割れない温度Ｔ０に加熱し、ステップＳ１０に戻る。ステップＳ１１において、推定した水の量が閾値Ｌ１以下と判定された場合、すなわち排気通路１３の排水が完了していると判定された場合は、続いて、ステップＳ１３において、ヒータ４４の通電を制御して、素子部４１を撥水温度Ｔ１に加熱する。

続いて、ステップＳ１４において、第１推定部により、エンジン２０の運転状態や気温条件等に基づいて、排気通路１３内の水の量を推定し、推定した水の量が閾値Ｌ２未満か否か判定する。

ステップＳ１４において、推定した水の量が閾値Ｌ２以上と判定された場合、すなわち排気通路１３の乾燥が完了していないと判定された場合は、ステップＳ１３に戻る。一方、ステップＳ１４において、推定した水の量が閾値Ｌ２未満と判定された場合、すなわち排気通路１３の乾燥が完了していると判定された場合は、続いて、ステップＳ１５にといて、ヒータ４４の通電を制御して、素子部４１を燃焼温度Ｔ２に加熱し、素子部４１に堆積しているＰＭを燃焼除去する。

続いて、ステップＳ１６において、素子部４１にＰＭを付着させて捕集し、ＰＭを検出し、ステップＳ１７において、エンジン２０の停止に伴い、ＰＭの検出を終了する。そして、ステップＳ１８において、エンジン２０の停止時の運転状態や停止時刻等の情報をＥＣＵ７０のメモリに記録する。以上で本処理を終了する。

以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。

・排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ１よりも多い場合には、素子部４１を割れない温度域に加熱し、水の量が閾値Ｌ１以下且つ閾値Ｌ２以上の場合には、素子部４１が撥水温度域に加熱される。これにより、素子部４１を乾燥させる際に、素子部４１の被水割れを防止するとともに、汚染物質による素子部４１の被毒を抑制することができる。

・素子部４１を加熱した際における素子部４１の昇温速度が所定速度未満の場合には、排気通路１３中の水の量が閾値Ｌ１よりも多い量すなわち浸水状態と推定することができる。

・素子部４１に所定電圧を印加することにより流れる電流が所定電流を超える場合には、排気通路１３中の水の量が閾値Ｌ１よりも多い量すなわち浸水状態と推定することができる。

・閾値Ｌ１を適切に設定することにより、素子部４１を撥水温度域に加熱したとしても、素子部４１が被水割れしない程度の水の量しか排気通路１３中にないと判定された場合に、素子部４１が撥水温度域に加熱される。よって、素子部４１の被水割れを防止し、被毒を抑制することができる。

・排気通路１３の乾燥が完了してから素子部４１の温度を燃総温度域に加熱することにより、素子部４１の被水割れを確実に防止することができる。

・閾値Ｌ２を適切に設定することにより、素子部４１を燃焼温度域に加熱したとしても、素子部４１が被水割れしない程度の水の量しか排気通路１３中にないと判定された場合に、素子部４１が燃焼温度域に加熱される。よって、素子部４１の被水割れを防止し、被毒を抑制することができる。

・エンジン２０の前回の停止前の運転状態、前回の運転停止時からの時間、エンジン２０の再始動後の運転状態、温度条件等に基づいて、排気通路１３中の水の量を精度良く推定することができる。

・絶縁基板４５，４６の材料として、熱的安定性及び化学的安定性を備えるセラミック材料を用いることで、ＰＭが堆積する素子部４１の耐久性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、第１実施形態と異なる点について図１０を参照して説明する。

エンジン２０がディーゼルエンジンの場合、ガソリンエンジンと比べて、吸気量が多く排気温度が低い。例えば、ディーゼルエンジンの排気温度が４００℃程度まで上昇するのに対して、ガソリンエンジンの排気温度は８００℃程度まで上昇する。そのため、エンジン２０がディーゼルエンジンの場合は、ガソリンエンジンの場合と比べて、燃料カット時に排気通路１３が急冷されやすく、凝縮水が発生することがある。ひいては、素子部４１が浸水状態になることがある。また、エンジン２０がハイブリッド車両のエンジンの場合、アイドリングストップ時や回生時燃料カット時に、排気通路１３が急冷されて凝縮水が発生し、素子部４１が浸水状態になることがある。

また、大雨等の災害時には、エンジン２０の運転中に、排気通路１３に水が入り込んできて、素子部４１が浸水状態になることがある。

そこで、第２実施形態では、ＰＭ捕集期間中に、常時、排気通路１３中の水の量が閾値Ｌ１よりも多いか否か監視する。図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に、ＰＭ捕集期間に排気通路１３に水が溜まり、素子部４１が浸水状態になった場合の、車速、排気通路１３内の水の量、及び素子温度のタイムチャートを示す。

ＰＭ捕集期間に、排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ１よりも多くなり、排気通路１３が浸水状態と判定されると、ヒータ４４により、素子部４１を再度割れない温度Ｔ０に加熱する。その後、排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ１以下になれば、排気通路１３の排水が完了したと判定して、素子部４１を再度撥水温度Ｔ１に加熱する。そして、排気通路１３内の水の量が閾値Ｌ２未満になれば、排気通路１３内の乾燥が完了したと判定して、素子部４１を再度燃焼温度Ｔ２に加熱し、堆積しているＰＭを燃焼除去する。その後、再びＰＭの検出を開始する。

以上説明した第２実施形態によれば、ＰＭ検出期間中に排気通路１３が浸水した場合には、被水割れを抑制するとともに、ＰＭセンサ５０をリセットして、ＰＭの検出を再開することができる。

（他の実施形態）
・ステップＳ１４において、第２推定部により水の量を推定してもよい。詳しくは、素子部４１の昇温速度が所定速度未満の場合に、水の量を閾値Ｌ２以上に推定し、昇温速度が所定速度より大きい場合に、水の量を閾値Ｌ２未満に推定する。ここでの所定速度は、Ｓ１０における所定速度よりも大きい値にする。また、素子部４１に所定電圧を印加することにより流れる電流が所定電流を超える場合に、水の量を閾値Ｌ２以上に推定し、電流が所定電流未満の場合に、水の量を閾値Ｌ２未満に推定する。ここでの所定電流は、Ｓ１０における所定電流よりも小さい値にする。

・ＳＣＵ６０の制御回路６１の機能はＥＣＵ７０が実現し、ヒータ電源６２はＥＣＵ７０に組み込まれていてもよい。すなわち、電極４２，４３及びヒータ４４はＥＣＵ７０に直接接続されており、ＰＭ検出装置８０はＰＭセンサ５０とＥＣＵ７０とから構成されていてもよい。また、ＰＭ検出装置８０が、ＳＣＵ６０及びＥＣＵ７０を備える場合も、制御回路６１の一部の機能をＥＣＵ７０が実現してもよいし、ＥＣＵ７０の一部の機能を制御回路６１が実現してもよい。また、ＥＣＵ７０は、エンジン２０の制御を実施なくてもよい。

・ＰＭ検出装置８０の適用対象は、ディーゼルエンジンに限定されない。ＰＭ検出装置８０は、ガソリン、アルコール、天然ガス等の燃料を用いるエンジンに対しても適用できる。

２０…エンジン、４１…素子部、４４…ヒータ、６０…ＳＣＵ、７０…ＥＣＵ。

Claims

内燃機関（２０）の排気中に含まれる粒子状物質を付着させる素子部（４１）と、
前記素子部を加熱するヒータ（４４）と、
前記素子部の電気的特性に基づいて前記粒子状物質の量を検出する検出部（７０）と、
前記内燃機関の排気通路中の水の量を推定する推定部（６０，７０）と、
推定された前記水の量が排水閾値よりも多い場合に、前記ヒータにより前記素子部を被水量に関わらず被水割れの起きない温度域に加熱する第１温度制御部（６０）と、
推定された前記水の量が前記排水閾値未満の場合に、前記排気通路の排水が完了していると判定する排水判定部（７０）と、
前記排水が完了していると判定された場合に、前記ヒータにより前記素子部を、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも低く且つ前記素子部に付着した前記水が撥水する撥水温度域に所定期間加熱する第２温度制御部（６０）と、を備える、粒子状物質検出装置。
前記推定部は、前記ヒータにより前記素子部を加熱した際に、前記素子部の昇温速度が所定速度未満の場合に、前記水の量を前記排水閾値よりも多い量に推定する請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
前記推定部は、前記素子部に所定電圧を印加することにより流れる電流が所定電流を超える場合に、前記水の量を前記排水閾値よりも多い量に推定する請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
前記素子部を前記撥水温度域に加熱した際に、前記被水割れの起きる前記素子部の被水量を排水被水量とし、且つ、前記水の量から換算される前記素子部の最大被水量を前記排水被水量とした場合に、前記排水閾値は、前記最大被水量に対応する前記水の量以下の値とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
推定された前記水の量が前記排水閾値よりも小さい乾燥閾値よりも小さくなった場合に、前記排気通路の乾燥が完了していると判定する乾燥判定部（７０）と、
前記乾燥が完了していると判定された場合に、前記ヒータにより前記素子部を前記粒子状物質が燃焼する燃焼温度域に加熱する第３温度制御部（６０）と、を備え、
前記所定期間は、前記排水が完了していると判定された時から、前記乾燥が完了していると判定された時までの期間である請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
前記素子部を前記燃焼温度域に加熱した際に、前記被水割れの起きる前記素子部の被水量を乾燥被水量とし、且つ、前記水の量から換算される前記素子部の最大被水量を前記乾燥被水量とした場合に、前記乾燥閾値は、前記最大被水量に対応する前記水の量以下の値とする請求項５に記載の粒子状物質検出装置。
前記被水量に関わらず被水割れの起きない温度域は、１４０℃〜２００℃である請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
前記撥水温度域は、３５０℃〜６００℃である請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
前記推定部は、前記内燃機関の前回の停止前の運転状態、前記内燃機関の前回の運転停止からの時間、前記内燃機関の今回の始動後の運転状態、前記内燃機関の今回の始動からの時間、及び前記内燃機関の今回の始動時の気温の少なくともいずれかに基づいて、前記水の量を推定する請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
前記素子部は、セラミックス材料から構成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。