JP6458368B2 - Sensor - Google Patents
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Description
本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中の粒子状物質(以下、PMという)を検出可能なPMセンサに関する。 The present invention relates to a sensor, and more particularly to a PM sensor capable of detecting particulate matter (hereinafter referred to as PM) in exhaust gas.
従来、内燃機関から排出される排気ガス中のPMを検出するセンサとして、電気抵抗型PMセンサが知られている。一般的に、電気抵抗型PMセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のPM(主に、スート成分)によって電気抵抗値が変化することを利用してPM量を推定している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an electrical resistance type PM sensor is known as a sensor for detecting PM in exhaust gas discharged from an internal combustion engine. In general, an electrical resistance type PM sensor has a pair of conductive electrodes opposed to each other on the surface of an insulating substrate, and the electrical resistance value varies depending on the conductive PM (mainly soot component) adhering to these electrodes. This is used to estimate the PM amount (see, for example, Patent Document 1).
ところで、電気抵抗型PMセンサは、各電極にPMを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したPMの一部が離脱する可能性があり、推定精度を担保できない課題がある。また、電極に付着したPMの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、PM量を正確に推定できない課題もある。さらに、電極間の電気抵抗値は、PMの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さない。このため、エンジンから排出されるPM量をリアルタイムで検出することはできず、その用途はディーゼル・パティキュレイト・フィルタ(以下、DPFという)よりも下流側で故障をオンボードで診断するものに限定されてしまう課題もある。 By the way, since the electric resistance type PM sensor has a simple structure in which PM is adhered to each electrode, there is a possibility that a part of the PM adhering to the electrode may be detached particularly in an operation state in which the exhaust flow rate increases. There is a problem that cannot be guaranteed. In addition, there is a problem that the amount of PM cannot be accurately estimated because the electrical resistance of PM attached to the electrode changes when it is affected by the exhaust flow rate. Furthermore, the electrical resistance value between the electrodes does not change until the electrodes are connected to each other by deposition of PM. For this reason, the amount of PM discharged from the engine cannot be detected in real time, and its use is to diagnose failure on board on the downstream side of the diesel particulate filter (hereinafter referred to as DPF). There is also a problem that is limited.
本発明の目的は、電極間にPMを確実に捕集しつつ、電極表面積を効果的に確保することで、排気ガス中に含まれるPM量を高精度に推定することができるPMセンサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a PM sensor capable of accurately estimating the amount of PM contained in exhaust gas by ensuring the electrode surface area effectively while reliably collecting PM between the electrodes. There is to do.
上述の目的を達成するため、本発明のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する一個以上のセルを有するフィルタ層と、前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第1及び第2電極板と、前記第1電極板と前記第2電極板との間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定部とを備える。 In order to achieve the above object, the sensor of the present invention is opposed to a filter layer having one or more cells partitioned by a porous partition and collecting particulate matter in exhaust gas, with the filter layer interposed therebetween. A first electrode plate and a second electrode plate, and an estimation unit that estimates the amount of particulate matter based on the capacitance between the first electrode plate and the second electrode plate.
また、前記第1電極板、前記第2電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第1及び第2電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層されたものでもよい。 In addition, the first electrode plate, the second electrode plate, and the plurality of filter layers each have a plurality, and the plurality of first and second electrode plates are alternately stacked with the plurality of filter layers sandwiched one by one. It may be a thing.
また、前記フィルタ層に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行可能なフィルタ再生手段をさらに備え、前記推定部は、再生インターバル間の静電容量変化量から当該再生インターバル間に前記フィルタ層で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。 And a filter regeneration unit capable of performing filter regeneration for burning and removing the accumulated particulate matter when the amount of the particulate matter collected in the filter layer reaches a predetermined value. The amount of particulate matter collected by the filter layer during the regeneration interval is calculated from the amount of change in capacitance between the exhaust gas and the exhaust gas by sequentially integrating the calculated amount of particulate matter between the regeneration intervals. The amount of the particulate matter inside may be estimated in real time.
また、前記推定部は、単位時間当たりの静電容量変化量に基づいて瞬時の粒子状物質量をリアルタイムに推定するものでもよい。 Further, the estimation unit may estimate an instantaneous particulate matter amount in real time based on a capacitance change amount per unit time.
本発明のセンサによれば、電極間にPMを確実に捕集しつつ、電極表面積を効果的に確保することで、排気ガス中に含まれるPM量を高精度に推定することができる。 According to the sensor of the present invention, the amount of PM contained in the exhaust gas can be estimated with high accuracy by ensuring the electrode surface area while reliably collecting PM between the electrodes.
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るセンサを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, based on an accompanying drawing, a sensor concerning one embodiment of the present invention is explained. The same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1は、本実施形態のPMセンサ10が適用されたディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)100の排気系の一例を示す概略構成図である。エンジン100の排気管110には、排気上流側から順に酸化触媒210、DPF220を配置した排気後処理装置200が介設されている。本実施形態のPMセンサ10は、排気後処理装置200よりも上流側(符号A参照)、排気後処理装置200よりも下流側(符号B参照)又は、排気後処理装置200を迂回するバイパス通路130(符号C参照)の何れに設けてもよい。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an exhaust system of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 100 to which the
次に、本実施形態のPMセンサ10の詳細構造を図2に基づいて説明する。図2(A)はPMセンサ10の斜視図、図2(B)はPMセンサ10の分解斜視図をそれぞれ示している。PMセンサ10は、複数のフィルタ層11と、複数枚の第1及び第2電極板12,13と、コントロールユニット40とを備えている。
Next, the detailed structure of the
フィルタ層11は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるPMは、図2(B)中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルC1から上流側を目封止されたセルC2に流れ込むことで、セルC1の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をPMセンサ10Aの長さ方向(図2(A)中の矢印L)とし、セル流路方向と直交する方向をPMセンサ10Aの幅方向(図2(A)中の矢印W)とする。
The
第1及び第2電極板12,13は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向L及び幅方向Wの外形寸法をフィルタ層11と略同一に形成されている。これら第1及び第2電極板12,13は、フィルタ層11を挟んで交互に積層されている。すなわち、第1電極板12と第2電極板13とを対向配置し、これら電極板12,13間にフィルタ層11を挟持させたことで、セルC1全体がコンデンサを形成するようになっている。なお、図2(A)中の符号12A,13Aは、第1電極板12及び第2電極板13をそれぞれコントロールユニット40に内蔵された図示しない静電容量検出回路に接続する導電線を示している。
The first and
コントロールユニット40は、フィルタ再生制御部41と、PM量推定演算部42とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット40に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。
The
フィルタ再生制御部41は、各電極板12,13に電圧を直接印加してセルC1内のPMを燃焼除去するフィルタ再生制御を実行する。電極板12,13間の静電容量Cpは、電極板12,13間の媒体の誘電率ε、電極板12,13の表面積S、電極板12,13間の距離dとする以下の数式1で表される。
The filter
数式1において、電極板12,13の表面積Sは一定であり、セルC1に捕集されたPMによって誘電率ε及び距離dが変化すると、これに伴い静電容量Cpも変化する。すなわち、電極板12,13間の静電容量CpとセルC1のPM堆積量との間には比例関係が成立する。フィルタ再生制御部41は、電極板12,13間の静電容量CpがPM上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値CP_maxに達すると、各電極板12,13に電圧を直接印加するフィルタ再生を開始する(図3の時間t1、t2、t3参照)。このフィルタ再生は、静電容量CpがPMの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値CP_minに低下するまで継続される。
In Formula 1, the surface areas S of the
PM量推定演算部42は、再生インターバルTn間(フィル再生終了から次のフィルタ再生開始)における静電容量変化量ΔCpnに基づいて、エンジン100から排出される排気ガス中の総PM量mPM_sumを推定する。再生インターバルTn間にセルC1で捕集されるPM量mPM_nは、静電容量変化量ΔCpnに一次の係数βを乗算した以下の数式2で得られる。
Estimating the PM
PM量推定演算部42は、数式2から算出される各再生インターバルTn間のPM量mPM_nを順次積算する以下の数式3に基づいて、エンジン100から排出される排気ガス中の総PM量mPM_sumをリアルタイムに演算する。
The PM amount
なお、静電容量Cpの単位時間当たりの変化量ΔCp/Δtから、排気ガス中に含まれる瞬時のPM量mPM_newをリアルタイムに推定することもできる。この場合、瞬時のPM量mPM_newは、予め実験等により求めた静電容量CpとPM量mPMとの関係を示すマップ(図4参照)を用い、このマップに瞬時の静電容量変化量ΔCp/Δtを乗算することにより求めることができる。このように瞬時のPM量mPM_newを推定する場合は、PMセンサ10を排気後処理装置200よりも上流側(図1の符号A参照)又は、バイパス通路130(図1の符号C参照)の何れに設ければ、エンジン100から排出される瞬時のPM量mPM_newをリアルタイムに推定できるため、スモークリミット等のエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。
The instantaneous PM amount m PM_new contained in the exhaust gas can also be estimated in real time from the change amount ΔCp / Δt per unit time of the capacitance Cp. In this case, as the instantaneous PM amount m PM_new , a map (see FIG. 4) showing a relationship between the capacitance Cp and the PM amount m PM obtained in advance through experiments or the like is used, and the instantaneous capacitance change amount is used in this map. It can be obtained by multiplying ΔCp / Δt. Thus, when estimating the instantaneous PM amount m PM_new , the
次に、本実施形態に係るPMセンサ10の作用効果を説明する。
Next, the effect of the
電極間の電気抵抗値に基づいてPM量を推定する電気抵抗型PMセンサでは、排気流量が多くなるとPMを確実に電極に付着させておくことが難しくなるため、推定精度を担保できない課題がある。また、電極に付着したPMの電気抵抗が排気流量の影響を受けると変化するため、PM量を正確に推定できない課題もある。さらに、電極間の電気抵抗値は、PMの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、PM量をリアルタイムで推定できない課題もある。 In the electric resistance type PM sensor that estimates the amount of PM based on the electric resistance value between the electrodes, it becomes difficult to reliably attach the PM to the electrodes when the exhaust gas flow rate increases, and thus there is a problem that the estimation accuracy cannot be ensured. . In addition, there is a problem that the amount of PM cannot be accurately estimated because the electrical resistance of PM attached to the electrode changes when it is affected by the exhaust flow rate. Furthermore, since the electrical resistance value between the electrodes does not show a change until the electrodes are connected to each other by deposition of PM, there is a problem that the amount of PM cannot be estimated in real time.
これに対し、本実施形態のPMセンサ10は、排気ガス中のPMをフィルタ層11のセルC1で確実に捕集しつつ、各再生インターバルTnのPM量mPM_nを順次積算することで、エンジン100から排出される排気ガス中の総PM量mPM_sumをリアルタイムに演算するように構成されている。したがって、本実施形態のPMセンサ10によれば、エンジン100から排出される総PM量mPM_sumを高精度且つリアルタイムに推定することができる。特に、単位時間当たりの静電容量変化量ΔCp/Δtから瞬時のPM量mPM_newを推定するように構成すれば、PMセンサ10を排気後処理装置200よりも上流側又はバイパス通路130に設けることでエンジン制御を効果的に行うことが可能になる。また、PMセンサ10を排気後処理装置200の下流側に設けた場合は、DPF220の故障をオンボードで高精度且つ早期に検知することが可能になる。
On the other hand, the
また、本実施形態のPMセンサ10は、図5に示すように、フィルタ層11を平板状の第1及び第2電極板12,13で挟み込み、これらを交互に積層したことで、セルC1全体がコンデンサを形成するようになっている。その結果、電極表面積Sを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることができる。また、電極間距離dがセルピッチとなり均一化されるため、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することが可能となり、排気ガス中のPM量を高精度に推定することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the
なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified and implemented without departing from the spirit of the present invention.
例えば、第1電極板12とフィルタ層11との間又は、第2電極板13とフィルタ層11との間にヒータ基板を挿入し、フィルタ再生を行う場合はヒータ基板に電圧を印加するように構成してもよい。また、セルC1,C2の流路断面形状は、図示例の矩形状に限定されず、三角形状等の他の形状であってもよい。
For example, when a heater substrate is inserted between the
10 PMセンサ
11 フィルタ層
12 第1電極板
13 第2電極板
40 コントロールユニット
41 フィルタ再生制御部
42 PM量推定演算部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第1及び第2電極板と、
前記第1電極板と前記第2電極板との間の静電容量に基づいて粒子状物質量を推定する推定部と、を備え、
前記複数のセルは、前記第1及び第2電極板の幅方向に配置され、
前記第1電極板、前記第2電極板及び、前記フィルタ層は、それぞれ複数設けられて積層されると共に、一の前記フィルタ層の積層方向両面を前記第1及び第2電極板が覆って排気流路を形成したことを特徴とするセンサ。 A filter layer having a plurality of cells partitioned by a porous partition wall and collecting particulate matter in the exhaust gas;
Flat plate-like first and second electrode plates opposed across the filter layer;
An estimation unit that estimates the amount of particulate matter based on a capacitance between the first electrode plate and the second electrode plate,
The plurality of cells are arranged in a width direction of the first and second electrode plates ,
A plurality of the first electrode plate, the second electrode plate, and the filter layer are provided and stacked, and the first and second electrode plates cover both sides of the one filter layer in the stacking direction. A sensor characterized by forming a flow path .
前記推定部は、再生インターバル間の静電容量変化量から当該再生インターバル間に前記フィルタ層で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
請求項1に記載のセンサ。 A filter regeneration unit capable of performing filter regeneration for burning and removing the accumulated particulate matter when the amount of particulate matter collected in the filter layer reaches a predetermined value;
The estimation unit calculates the amount of particulate matter collected by the filter layer during the regeneration interval from the amount of change in capacitance between regeneration intervals, and sequentially calculates the amount of particulate matter between the regeneration intervals. The sensor according to claim 1 , wherein the amount of particulate matter in the exhaust gas is estimated in real time by integrating.
請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1 , wherein the estimation unit estimates an instantaneous particulate matter amount in real time based on a capacitance change amount per unit time.
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