JP6427339B2 - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から発生した排ガス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。

内燃機関の排気管には、排ガスに含まれる粒子状物質を捕集する排ガス浄化装置が設けられている。この排ガス浄化装置は、排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出するセンサを備えた粒子状物質検出装置を備えており、この粒子状物質検出装置によって得られた情報を基に、排ガス浄化装置の故障検知が行われている。

排ガス浄化装置に用いられる粒子状物質検出装置としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に示された粒子状物質検出装置がある。特許文献１の粒子状物質検出装置は、粒子状物質の濃度を検出するためのセンサに粒子状物質が堆積することにより、静電容量が変化することを利用して排ガスに含まれる粒子状物質の量を検出しようとするものである。

特許文献２の粒子状物質検出装置は、粒子状物質中に含まれる煤が、電気導電性を有していることを利用しており、煤を捕獲する多孔質の導電性物質で構成された検出電極と、上記検出電極に配設され、検出電極の電気抵抗を測定する少なくとも一対の導電性電極とで構成されるものである。

特開２０１１−８９７９１号公報 特開２００６−２６６９６１号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示された粒子状物質検出装置には以下の課題がある。
特許文献１及び特許文献２の粒子状物質検出装置においては、排ガスが流通する排気管内にセンサを配置し、内燃機関の運転中に排出される粒子状物質をセンサに堆積させることにより、粒子状物質の堆積量を検出している。このとき、内燃機関の運転状態によって、排ガスの流量や温度が大きく変化することがある。この排ガスの流量や温度の変化により、センサの出力が変動し、センサに堆積した粒子状物質の堆積量を正確に検出することができない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、捕集部に捕集された粒子状物質の堆積量を精度よく検出することができる粒子状物質検出装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質の一部を一対の対向電極の間に捕集する捕集部、及び該捕集部を加熱する加熱手段を有し、上記一対の対向電極の間に堆積した粒子状物質によって上記一対の対向電極の間が導通された際の電流値に基づいて、粒子状物質の堆積量を検出する粒子量検出手段と、
上記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
粒子状物質の捕集を開始してからの上記内燃機関の運転時間ｔを検出する時間検出手段と、を備えており、
該時間検出手段による上記運転時間ｔが所定の目標運転時間ｔ０以上となった後、上記内燃機関の回転数が０ｒｐｍとなったときに、上記粒子量検出手段によって粒子状物質の堆積量を検出するよう構成されていることを特徴とする粒子状物質検出装置にある。

上記粒子状物質検出装置においては、上記内燃機関の回転数が０ｒｐｍとなったときに、上記粒子量検出手段によって粒子状物質の堆積量を検出するよう構成されている。上記内燃機関の回転数が０ｒｐｍとなったとき、つまり、上記内燃機関の運転が停止した状態においては、上記内燃機関における排ガスの排出が停止する。そのため、上記内燃機関から排出された排ガスの流量及び温度による影響を低減することができる。これにより、上記粒子検出手段の出力のばらつきを低減し、粒子状物質の堆積量を精度よく検出することができる。それゆえ、粒子状物質の堆積量を定量的に把握することができる。

以上のごとく、上記粒子状物質検出装置によれば、捕集部に捕集された粒子状物質の堆積量を精度よく検出することができる。

実施例１における、粒子状物質検出装置の制御フローを示す説明図。 実施例１における、粒子状物質検出装置が設けられた内燃機関を示す説明図。 実施例１における、粒子量検出手段を示す説明図。 実施例１における、粒子状物質が堆積した被堆積部を示す説明図。 確認試験における、出力電圧と粒子状物質排出量との関係を示すグラフ。

上記粒子状物質検出装置において、上記捕集部は、排ガス中の粒子状物質を堆積させる被堆積部と、該被堆積部上に互いに離れて配置された一対の対向電極とを備えており、上記被堆積部に粒子状物質が堆積することで、上記一対の対向電極間における電気抵抗値が変化することを利用して、粒子状物質の堆積量を検出することが好ましい。上記一対の対向電極間における電気抵抗値の変化を利用する電気抵抗式の上記粒子量検出手段は、他の形式の粒子量検出手段と比べて粒子状物質の検出精度が高く、ばらつきが少ない。したがって、粒子状物質の検出精度をより向上することができる。

また、上記粒子状物質検出装置は、粒子状物質の捕集を開始してからの上記内燃機関の運転時間ｔを検出する時間検出手段を備えており、時間検出手段による上記運転時間ｔが所定の目標運転時間ｔ０以上となった後、上記内燃機関の回転数が０ｒｐｍとなったときに、上記粒子量検出手段によって粒子状物質の堆積量を検出するよう構成されている。この場合には、粒子状物質の堆積量を検出するのに十分な量の粒子状物質を上記捕集部に堆積させることができる。

また、上記粒子量検出手段は、上記捕集部に捕集された粒子状物質を除去する除去手段を備えていることが好ましい。この場合には、上記捕集部に捕集された粒子状物質を除去した後、改めて上記捕集部に粒子状物質を捕集することにより、正確な粒子状物質の量を検出することができる。

また、上記粒子量検出手段によって検出された粒子状物質の堆積量と、排ガスに含まれる粒子状物質の総排出量との関係を示した関係データを有するコントロールユニットを備えており、該コントロールユニットは、上記関係データを用いて、粒子状物質の堆積量から、粒子状物質の総排出量を算出することが好ましい。この場合には、粒子状物質の堆積量から内燃機関における粒子状物質の総排出量を算出することができる。これにより、上記内燃機関や、排ガスに含まれる粒子状物質を除去する浄化システムの制御をより緻密に行うことが可能となり、粒子状物質の排出による環境負荷を低減することができる。

（実施例１）
上記粒子状物質検出装置にかかる実施例について、図１〜図４を参照して説明する。
図２〜図４に示すごとく、粒子状物質検出装置１は、内燃機関６から排出される排ガスに含まれる粒子状物質７の一部を捕集する捕集部２１を備え、捕集部２１に堆積した粒子状物質７の堆積量を検出する粒子量検出手段２と、内燃機関６の回転数を検出する回転数検出手段３とを備えている。粒子状物質検出装置１は、内燃機関６の回転数が０ｒｐｍとなったとき、粒子量検出手段２によって粒子状物質７の堆積量を検出するよう構成されている。

以下、さらに詳細に説明する。
図２に示すごとく、粒子状物質検出装置１は、自動車に搭載された内燃機関６から、排気管６１を通じて排出される排ガスに含まれる粒子状物質７を検出するためのものである。本例の内燃機関６は、過給器６２を搭載したディーゼルエンジンである。また、内燃機関６に接続された排気管６１には、酸化触媒６３１（ＤＯＣ）及びパティキュレートフィルタ６３２（ＤＰＦ）を備えた浄化システム６３が設けられている。

粒子状物質検出装置１は、内燃機関６の回転数を検出する回転数検出手段３と、粒子状物質捕集開始後の内燃機関６の運転時間ｔを検出する時間検出手段４と、排ガスに含まれる粒子状物質７の量を検出する粒子量検出手段２と、これらによって検出された情報を受信するコントロールユニット５１とを備えている。
回転数検出手段３は、回転角センサからなり、クランクシャフト（図示略）の回転数を検出可能に配設されている。本例においては、回転数検出手段３によって検出された回転数Ｎが、Ｎ＝０ｒｐｍとなったとき、粒子量検出手段によって、粒子状物質７の堆積量を検出する。

時間検出手段４は、ＳＣＵ５２に内蔵されている。時間検出手段４は、粒子量検出手段２が粒子状物質７の捕集を開始した時点からの内燃機関６の運転時間ｔを計測するように設定されている。尚、本例においては、粒子状物質７の堆積量を検出するのに十分な量の粒子状物質７を捕集するための目標運転時間ｔ０を設定してあり、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０以上となった場合に粒子状物質７の堆積量を検出する。

粒子量検出手段２は、排気管６１における浄化システム６３の下流側に設けてある。図３に示すごとく、粒子量検出手段２は、粒子状物質７の量を検出するＰＭセンサであり、粒子状物質７の一部を捕集する捕集部２１と、捕集部２１を加熱する加熱手段２４とを備えている。

捕集部２１は、排ガス中の粒子状物質７を堆積させる被堆積部２２と、被堆積部２２上に互いに離れて配置された一対の対向電極２３とを備えている。被堆積部２２は、略長方形の板状をなしており、絶縁性材料によって形成されている。一対の対向電極２３は、導電性材料からなり、被堆積部２２の表面に形成されている。一対の対向電極２３は、被堆積部２２における長手方向と平行に形成された電極基部２３１と、電極基部２３１から長手方向と直交して延設された複数の櫛歯部２３２とをそれぞれ有している。各対向電極２３は、電極基部２３１が互いに向かい合うように配置されると共に、一方の対向電極２３における櫛歯部２３２の間に、他方の対向電極２３における櫛歯部２３２が入り込むように配置されている。

図４に示すごとく、被堆積部２２に粒子状物質７が堆積し、一対の対向電極２３の間が粒子状物質７によって導通されることで、一対の対向電極２３間の電気抵抗値が低減する。一対の対向電極２３の間には電圧が印加されており、一対の対向電極２３間の電気抵抗値の変化に伴い、対向電極２３間を流れる電流量が変化する。これにより、粒子量検出手段２からＳＣＵ（センサコントロールユニット）５２へと出力される電流値が変化する。つまり、粒子量検出手段２から出力される電流値は、被堆積部２２における粒子状物質７の堆積量に応じて変化するものであり、粒子状物質７の堆積量に関する情報を有するものである。ＳＣＵ５２は、シャント抵抗を備えており、出力された電流値とシャント抵抗の積で算出される電圧を、センサ出力としてコントロールユニット５１へと出力する。

加熱手段２４は、捕集部２１に捕集された粒子状物質７を除去するために配設されており、電源２４３から供給される電流を流通することで発熱する熱線２４１と、熱線２４１が配設された絶縁性材料からなる加熱基部２４２とを有している。加熱手段２４は、被堆積部２２における一対の対向電極２３が配置された側と反対側に、被堆積部２２と積層して配置されている。尚、加熱手段２４の加熱温度は、６００℃〜８００℃であることが好ましい。加熱手段２４を用いた粒子状物質７の除去は、粒子状物質７の堆積量を検出した後等に、新たに粒子状物質７を堆積させる前のタイミングにおいて行われる。

コントロールユニット５１には、回転数検出手段３によって検出された回転数情報が入力される。また、ＳＣＵ５２には、コントロールユニット５１からの回転数情報と、時間検出手段４によって検出された運転時間ｔとが入力される。本例のＳＣＵ５２においては、回転数情報及び運転時間ｔに基づいて行われる堆積量検出の制御と、センサ出力としての電圧に基づいて被堆積部２２における粒子状物質７の堆積量及び、運転時間ｔの間に排出された粒子状物質７の総排出量の算出を行う。

ＳＣＵ５２は、センサ出力としての電圧と被堆積部２２における粒子状物質７の堆積量との関係を示した堆積量関係データと、被堆積部２２における粒子状物質７の堆積量と排ガスに含まれる粒子状物質７の総排出量との関係を示した排出量関係データを記憶している。堆積量関係データ及び排出量関係データは、内燃機関６において確認試験を実施し、予め求めたものである。ＳＣＵ５２は、センサ出力を基に堆積量関係データを用いて粒子状物質７の堆積量を算出する。そして、算出された堆積量を基に排出量関係データを用いて粒子状物質７の総排出量を算出することができる。これにより、算出された粒子状物質７の総排出量が、コントロールユニット５１に出力される。

次に、図１を用いて、粒子状物質検出装置１における制御フローの一例を説明する。
まず、ステップＳ１１において、内燃機関６の回転数ＮがＮ＝０ｒｐｍであるかを確認する。
内燃機関６の回転数Ｎが０ｒｐｍである場合、ステップＳ１２へと進み運転時間ｔの確認を行う。尚、運転時間ｔは、内燃機関６の運転状態を確認する以前に、内燃機関６を運転した際の運転時間ｔが積算されていてもよい。このとき、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０以上であれば、ステップＳ１３へと進み被堆積部２２に堆積した粒子状物質７の堆積量の検出を行う。

粒子状物質７の堆積量の検出が完了した後、ステップＳ１４へと進み加熱手段２４を作動させる。これにより、被堆積部２２に堆積された粒子状物質７が除去される。次いで、ステップＳ１５へと進み、運転時間ｔを初期化する。これにより、次回の粒子状物質７の堆積量の検出が可能な状態となる。

ステップＳ１２において、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０未満の場合、十分な粒子状物質７の捕集ができなかったものと判断し捕集を終了する。この場合には、被堆積部２２に堆積された粒子状物質７の除去を行わず、ステップＳ１１へと戻り、次回の検出時に運転時間ｔを積算する。

また、ステップＳ１１において、内燃機関６の回転数Ｎが０ｒｐｍを超える場合には、ステップＳ２１において、運転時間ｔの確認を行う。運転時間ｔが目標運転時間ｔ０未満の場合、ステップＳ２２へと進み粒子状物質７の捕集を開始する。つまり、運転時間ｔを加算する。そして、ステップＳ２３へと進み、内燃機関６の回転数Ｎが０ｒｐｍとなる場合、粒子状物質７の捕集を終了し、ステップＳ１１へと戻る。

また、ステップＳ２３において、内燃機関６の回転数Ｎが０ｒｐｍを超えている場合、ステップＳ２４に進み、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０以上であるか確認する。ステップＳ２４において、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０以上である場合、ステップＳ２５に進み粒子状物質７の捕集を終了し、ステップＳ１１へと戻る。また、ステップＳ２４において、運転時間ｔが目標運転時間ｔ０未満である場合、ステップＳ２２へと戻り、再度粒子状物質７の捕集を行う。
尚、図１に示した制御フローは、一例であり、これ以外のステップにより構成することもできる。

次に、本例の作用効果について説明する。
粒子状物質検出装置１においては、内燃機関６の回転数ＮがＮ＝０ｒｐｍとなったときに、粒子量検出手段２によって粒子状物質７の堆積量を検出するよう構成されている。内燃機関６の回転数Ｎが０ｒｐｍとなったとき、つまり、内燃機関６の運転が停止した状態においては、内燃機関６における排ガスの排出が停止する。そのため、内燃機関６から排出される排ガスの流量及び温度による影響を低減することができる。これにより、粒子検出手段の出力のばらつきを低減し、粒子状物質７の堆積量を精度よく検出することができる。それゆえ、粒子状物質７の堆積量を定量的に把握することができる。

また、捕集部２１は、排ガス中の粒子状物質７を堆積させる被堆積部２２と、被堆積部２２上に互いに離れて配置された一対の対向電極２３とを備えており、被堆積部２２に粒子状物質７が堆積することで、一対の対向電極２３間における電気抵抗値が変化することを利用して、粒子状物質７の堆積量を検出する。一対の対向電極２３間における電気抵抗値の変化を利用する電気抵抗式の粒子量検出手段２は、他の形式の粒子量検出手段２と比べて粒子状物質７の検出精度が高く、ばらつきが少ない。したがって、粒子状物質７の検出精度をより向上することができる。

また、粒子量検出手段２が粒子状物質７の捕集を開始してからの内燃機関６の運転時間ｔを検出する時間検出手段４を備えており、内燃機関６の運転時間ｔが所定の時間以上となった後、粒子量検出手段２によって粒子状物質７の堆積量を検出するよう構成されている。そのため、粒子状物質７の検出をするにあたって十分な量の粒子状物質７を捕集部２１に堆積させることができる。

また、粒子量検出手段２は、捕集部２１に捕集された粒子状物質７を除去する除去手段２５を備えている。そのため、捕集部２１に捕集された粒子状物質７を除去した後、改めて捕集部２１に粒子状物質７を捕集することにより、正確な粒子状物質７の量を検出することができる。

また、粒子量検出手段２によって検出された粒子状物質７の堆積量と、排ガスに含まれる粒子状物質７の総排出量との関係を示した関係データを有するコントロールユニット５１を備えており、コントロールユニット５１は、関係データを用いて、粒子状物質７の堆積量から、粒子状物質７の総排出量を算出する。そのため、内燃機関６における粒子状物質７の総排出量を把握することができる。これにより、内燃機関６や、排ガス浄化システム６３の制御をより緻密に行うことが可能となり、粒子状物質７の排出による環境負荷を低減することができる。

以上のごとく、本例の粒子状物質検出装置１によれば、捕集部２１に捕集された粒子状物質７の堆積量を精度よく検出することができる。

（確認試験）
本確認試験は、内燃機関における粒子状物質の排出量と粒子状物質検出装置における粒子量検出手段から出力された電圧との関係を、実施例及び比較例を用いて確認した。
図５は、縦軸を粒子量検出手段からの出力電圧（Ｖ）とし、横軸を排ガスと共に排出された粒子状物質の総排出量（ｍｇ）としたグラフである。尚、粒子状物質の総排出量は、マイクロスートセンサ（ＡＶＬ ＬＩＳＴ ＧｍｂＨ社製 ＡＶＬ ４８３ Ｍｉｃｒｏ Ｓｏｏｔ Ｓｅｎｓｏｒ）を用いて計測した排ガスにおける粒子状物質濃度（ｍｇ／ｍ３）と、排ガス流量（ｍ３）とを積算して算出した。

本確認試験では、運転条件Ａ〜運転条件Ｄの４つの運転条件において比較を行った。運転条件Ａは、内燃機関の回転数Ｎ＝１５００ｒｐｍ、排気温度１２０℃、運転時間６分とした。運転条件Ｂは、内燃機関の回転数Ｎ＝１５００ｒｐｍ、排気温度１２０℃、運転時間９分とした。運転条件Ｃは、内燃機関の回転数Ｎ＝２２００ｒｐｍ、排気温度２００℃、運転時間１０分である。運転条件Ｄは、内燃機関の回転数Ｎ＝１８００ｒｐｍ、排気温度１５０℃、運転時間２０分とした。

実施例は、実施例１に示した粒子状物質検出装置１を用いたものである。内燃機関を上述の運転条件で運転させた後、粒子量検出手段の出力電圧を検出した。検出時における内燃機関の回転数Ｎは、０ｒｐｍ（停止状態）とした。実施例における試験結果は、図５にＡ１〜Ｄ１として示した。
比較例は、内燃機関を上述の運転条件で運転させた運転時間が経過した時点で、回転数Ｎを保ったままの状態で、粒子量検出手段の出力電圧を検出した。比較例における試験結果は、図５にＡ２〜Ｄ２として示した。

図５に示すごとく、比較例においては、粒子状物質の排出量に対して、出力電圧のばらつきがある。そのため、出力電圧から粒子状物質の排出量を判定することは困難である。一方、実施例においては、出力電圧と粒子状物質の総排出量とが比例関係を有していることが確認された。したがって、出力電圧から粒子状物質の排出量を精度よく導くことができる。

１ 粒子状物質検出装置
２ 粒子量検出手段
２１ 捕集部
３ 回転数検出手段
６ 内燃機関
７ 粒子状物質

Claims (4)

1. 内燃機関（６）から排出される排ガスに含まれる粒子状物質（７）の一部を一対の対向電極（２３）の間に捕集する捕集部（２１）、及び該捕集部（２１）を加熱する加熱手段（２４）を有し、上記一対の対向電極（２３）の間に堆積した粒子状物質（７）によって上記一対の対向電極（２３）の間が導通された際の電流値に基づいて、粒子状物質（７）の堆積量を検出する粒子量検出手段（２）と、
   上記内燃機関（６）の回転数を検出する回転数検出手段（３）と、
   粒子状物質（７）の捕集を開始してからの上記内燃機関（６）の運転時間ｔを検出する時間検出手段（４）と、を備えており、
   該時間検出手段（４）による上記運転時間ｔが所定の目標運転時間ｔ０以上となった後、上記内燃機関（６）の回転数が０ｒｐｍとなったときに、上記粒子量検出手段（２）によって粒子状物質（７）の堆積量を検出するよう構成されていることを特徴とする粒子状物質検出装置（１）。
2. 上記粒子量検出手段（２）による粒子状物質（７）の堆積量の検出は、上記内燃機関（６）の運転時間ｔが所定の目標運転時間ｔ０以上となると共に上記内燃機関（６）の回転数が０ｒｐｍとなるごとに、繰り返し行うよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置（１）。
3. 上記粒子量検出手段（２）は、上記捕集部（２１）に捕集された粒子状物質（７）を除去するための加熱手段（２４）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置（１）。
4. 上記粒子量検出手段（２）によって検出された粒子状物質（７）の堆積量と、排ガスに含まれる粒子状物質（７）の総排出量との関係を示した関係データを有するコントロールユニット（５１）を備えており、該コントロールユニット（５１）は、上記関係データを用いて、粒子状物質（７）の堆積量から、粒子状物質（７）の総排出量を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置（１）。

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