JP6474685B2 - 内燃機関の排気浄化装置及び粒子状物質検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質を低減する排気浄化装置及び排気ガス中の粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置に関し、特に粗悪燃料の使用に伴う小径の粒子状物質を低減する内燃機関の排気浄化装置及び小径の粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）は、主に、煤を構成するＳｏｏｔと、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ、有機溶剤可溶成分）と、サルフェートとから構成されている。ＳＯＦは、燃料や潤滑油が未燃のまま単独またはＳｏｏｔに含浸された形で排出されたものである。サルフェートは、燃料中の硫黄分の酸化生成物（硫化物）が排気ガス中の水分に溶けて霧滴化したものである。

従来、粒子状物質の中でも特にサルフェートの低減に関する技術の提案がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、排気温度がある温度を超えると酸化触媒でのＳＯ_３生成率が急激に上昇することに鑑みて、酸化触媒をバイパスするバイパス通路を設けて、排気温度又は排気中のＳＯ_２の量に基づいてそのバイパス通路を開放することが開示されている。

特開平５−１２５９３２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、排気ガスが酸化触媒をバイパスすることで粒子状物質以外のエミッション（ＨＣ、ＣＯなど）の浄化率が低下するという問題点がある。また、特許文献１の技術では、排気温度やＳＯ_２といったサルフェート発生に関連するパラメータを検出しているが、サルフェートを直接検出していないので、実際のサルフェートの発生量との間に誤差が生ずる可能性がある。

また、本発明者は、硫黄分が多い粗悪燃料を使用すると、小径の粒子状物質が増加するという知見を得ており、このことからサルフェートの多くは小径側に分布していると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、他のエミッションの浄化を犠牲にすることなく、小径の粒子状物質を低減できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを第１の目的とする。また、小径の粒子状物質の発生が多いという状況を高精度に検出できる粒子状物質検出装置を提供することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質の平均粒径を検出する粒径検出手段と、
前記平均粒径が予め定められた粒径閾値以下か否かを判定する粒径判定手段と、
前記平均粒径が前記粒径閾値以下の場合に、小径の粒子状物質が分解可能な温度である分解可能温度に排気温度を上昇させる排気温上昇手段と、
を備え、
前記粒径閾値は、前記内燃機関に使用する燃料が硫黄分が多い粗悪燃料か硫黄分が少ない良質燃料かに応じて粒子状物質数の違いが顕著にあらわれる小径の粒子状物質における粒径の値に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、排気ガス中の粒子状物質の平均粒径を検出し、検出した平均粒径が粒径閾値以下か否かを判定する。そして、平均粒径が粒径閾値以下の場合、つまり小径の粒子状物質を検出した場合には、小径の粒子状物質が分解可能な分解可能温度に排気温度を上昇させるので、触媒に対して排気ガスを迂回させなくても、つまり他のエミッションの浄化を犠牲にすることなく小径の粒子状物質を低減（分解）できる。

上記第２の目的を達成するため、本発明の粒子状物質検出装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、間隔を空けて並置された複数の電極及びヒータを有した素子部を備え、前記素子部に付着した粒子状物質の数に応じて変化する前記電極間の抵抗に応じた値を出力するセンサと、
前記ヒータの作動を制御するヒータ制御手段と、
前記ヒータ制御手段が前記ヒータを作動させたことにより上昇した前記センサの出力値のその上昇の度合いを示した値である上昇値を取得する上昇値取得手段と、
排気ガス中の粒子状物質の平均粒径と前記上昇値との関係を記憶する記憶手段と、
前記上昇値と前記関係とに基づいて前記平均粒径を取得する粒径取得手段と、
前記粒径取得手段が取得した前記平均粒径が予め定められた粒径閾値以下か否かを判定する粒径判定手段と、
を備え、
前記粒径閾値は、前記内燃機関に使用する燃料が硫黄分が多い粗悪燃料か硫黄分が少ない良質燃料かに応じて粒子状物質数の違いが顕著にあらわれる小径の粒子状物質における粒径の値に設定されることを特徴とする。

本発明では、電気抵抗式のセンサを用いて、小径の粒子状物質を検出している。本発明者は、センサの素子部を加熱した時にセンサ出力が上昇するとともに、その上昇の度合い（上昇値）が粒子状物質の粒径に応じて変化するという知見を得ている。そこで、本発明では、粒子状物質の平均粒径と上昇値との関係を予め調べて記憶手段に記憶しておく。そして、記憶手段に記憶された関係と、実際の上昇値とに基づいて平均粒径を取得し、その平均粒径が粒径閾値以下か否かを判定する。平均粒径が粒径閾値以下の場合には、平均粒径が粒径閾値より大きい場合に比べて、小径の粒子状物質が多く発生していると言える。このように、本発明では、小径の粒子状物質の発生が多いという状況を、排気温度やＳＯ_２等のパラメータで代用しなくても直接検出できる。よって、小径の粒子状物質の発生が多いという状況を高精度に検出できる。

エンジンシステムの構成図である。 ＰＭセンサの内部構成を示した図である。 ＥＣＵ内の構成を示した図である。 硫黄分が少ない燃料と多い燃料とで、ＰＭ粒径に対するＰＭ数の変化を比較した図である。 ＥＣＵが実行する処理のフローチャートである。 ＰＭセンサの加熱前後における時間に対するセンサ出力の変化を示した図である。 ＰＭセンサの出力増幅率と、ＰＭの平均粒径との関係を示した図である。 ＰＭの平均粒径を検出する処理のフローチャートである。 ＰＭセンサのくし歯電極の間隔と、センサ出力が所定値に達した時に基板に付着しているＰＭ重量との関係を示した図である。 排気温度に対する小径ＰＭの変化率の変化を示した図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明が適用された車両のエンジンシステム１の構成図である。エンジンシステム１は、内燃機関としてのガソリンエンジン１０（以下、単にエンジンという）を備えている。そのエンジン１０は、例えば４気筒エンジンであり、各気筒９内に燃料を直接噴射する直噴型のエンジンとして構成されている。エンジン１０には、各気筒９毎に、気筒９内に燃料を噴射する噴射弁８が設けられている。エンジン１０においては、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程で１サイクルを構成する。そして、圧縮行程において噴射弁８から燃料が噴射されて、圧縮上死点付近で点火プラグ（図示外）による点火（燃料の着火）が行われ、その燃焼エネルギーで車両を駆動するための動力を生み出している。

エンジンシステム１には、噴射弁８を制御するＥＤＵ１９（電子駆動装置）が設けられている。ＥＤＵ１９は、ＥＣＵ２０から指令された噴射条件（噴射時期、噴射量等）で燃料が噴射されるように噴射弁８を駆動する。

エンジンシステム１には、気筒９内に吸入する空気が流れる吸気通路２が設けられている。その吸気通路２には、上流側から、空気を圧縮する過給器３、過給器３で圧縮された空気を冷却するインタークーラー４、空気量を調整するスロットルバルブ５が設けられている。そのスロットルバルブ５より下流には、各気筒９に繋がった分岐通路を構成するインテークマニホールド７が設けられている。

また、各気筒９には、筒内から排出される排気ガスをまとめて排気通路１２に渡すためのエキゾーストマニホールド１１が接続されている。排気通路１２には、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった有害成分を浄化するための触媒１３が設けられている。その触媒１３は、例えばＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に酸化又は還元浄化が可能な三元触媒とすることができる。

触媒１３より上流の排気通路１２には、排気温度（排気ガスの温度）を上昇させるためのヒータ１５が設けられている。そのヒータ１５は例えば排気通路１２の外周部に取り付けられてその外周部から排気通路１２内に熱を加えるものであっても良いし、排気通路１２の断面を塞ぐように設けられて、排気ガスが通過可能であるとともに、通過した排気ガスに対して熱を加えるものであっても良い。ヒータ１５は、排気通路１２のどこに設けられたとしても良いが、できるだけエンジン１０に近い上流に設けられるのが好ましい。ヒータ１５を上流に設けることで、排気ガスがヒータ１５の位置にくる間に排気温度が低下してしまうのを抑制でき、ヒータ１５による排気温度の上昇幅を抑えることができる。その結果、ヒータ１５の電力を抑えることができる。

エンジンシステム１には、エンジン１０の運転制御や、排気ガスの浄化のための各種センサが設けられている。詳しくは、スロットルバルブ５の下流の吸気通路２には、筒内に吸入する空気量を検出するエアフロメータ６が設けられている。ヒータ１５の出口付近（ヒータ１５と触媒１３の間）には排気温度を検出する排気温センサ１６が設けられている。また、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ１７、車両の運転者の要求トルクを車両側に知らせるためのアクセルペダルの操作量（踏み込み量）を検知するアクセルペダルセンサ２１、エンジン１０を冷却するための冷却水の温度を検出する水温センサ２２、噴射弁８の燃料噴射圧を検出する噴射圧センサ２３などが設けられている。

排気通路１２の触媒１３よりも下流には、排気ガス中のＰＭを検出する本発明のセンサに相当する電気抵抗式のＰＭセンサ１４が設けられている。ＰＭセンサ１４は、図２に示すように、排気ガス中のＰＭを付着させるための本発明の素子部に相当する基板３５を備えている。その基板３５は多数の孔が形成されたカバーで覆われている。そのカバーの孔からカバー内に侵入したＰＭが基板３５に付着する。基板３５は、セラミックス等の絶縁体で形成されている。

基板３５の一方の面には、くし歯状となるように間隔を空けて並置された多数の電極３６が形成されている。各電極３６は直流電圧を発生する直流電圧回路４０の正極側か負極側のどちらかに接続されており、正極側に接続された電極３７と、負極側に接続された電極３８とが互い違い（交互）となるように配置される。つまり、正極側の電極３７と負極側の電極３８とが互いに向き合うように配置される。また、電極３７、３８の間隔は、どの位置においても同じ間隔となっている。

また、直流電圧回路４０により電極３７、３８間に電圧が印加されると、各電極３７、３８はそれぞれ正、負に帯電する。これにより、電極３７、３８の近傍を通過するＰＭを帯電させて、基板３５への捕集が促進される。電極３７、３８間に電圧を印加することによる基板３５へのＰＭ捕集を静電捕集という。

ＰＭセンサ１４の出力特性を説明すると、ＰＭセンサ１４は基板３５に捕集されたＰＭによって電極３６間の抵抗が変化することを利用して、基板３５に捕集されたＰＭ量に応じた出力を発生する。つまり、ＰＭセンサ１４は、電極３６間の抵抗値に応じた値をＰＭ量として出力する。詳細には、基板３５へのＰＭ捕集量が少ないうちはセンサ出力は発生しない（厳密には、センサ出力が立ち上がったとみなせる閾値出力よりも小さい出力しか発生しない）。ＰＭに含まれるＳｏｏｔ成分はカーボン粒子から構成されており導電性を有するので、ＰＭ捕集量が一定以上の量になった時に電極３６間が導通して、センサ出力が立ち上がる（閾値出力以上の出力が発生する）。

センサ出力の立ち上がり後は、ＰＭ捕集量が多くなるほど電極３６間の抵抗が小さくなるので、電極３６間に流れる電流、つまりセンサ出力が大きくなっていく。エンジンシステム１には、この電極３６間に流れる電流を計測する電流計４１が備えられ、この電流計４１の計測値がＰＭセンサ１４の出力となる。なお、電極３６間を流れる電流に相関する値として例えば電極３６間の抵抗値を測定して、その抵抗値をＰＭセンサ１４の出力としても良い。なお、直流電圧回路４０や電流計４１は、後述の制御コントローラ１８内に設けられている。

また、基板３５には、基板３５を加熱するヒータ３９が設けられている。そのヒータ３９は、例えば基板３５に捕集されたＰＭを燃焼させてＰＭセンサ１４を再生させるために用いられる。また、本発明では、ヒータ３９は、ＰＭセンサ１４の再生の他に、ＰＭの平均粒子径を求めるために用いられる（詳細は後述）。ヒータ３９は、例えば基板３５の電極３６が設けられていない方の面又は基板３５の内部に設けられている。ヒータ３９は、例えば白金（Ｐｔ）等の電熱線から構成されている。ＰＭセンサ１４の再生においては、ＰＭを構成する各成分（Ｓｏｏｔ、ＳＯＦ、サルフェート）の全てを燃焼除去できる温度、具体的には例えば６００℃以上の温度（例えば７００℃）に基板３５が上昇するように、ヒータ３９は制御される。ヒータ３９は後述の制御コントローラ１８に接続されている。

図１の説明に戻り、エンジンシステム１には、ＰＭセンサ１４を制御する制御コントローラ１８が設けられている。その制御コントローラ１８は、上述の直流電圧回路４０及び電流計４１（図２参照）を備えて、ＥＣＵ２０からの指令に基づいて電極３６間に電圧を印加することで静電捕集を実施したり、電流計４１を用いたＰＭセンサ１４の出力の読み取りを行ったりする。また、制御コントローラ１８は、ＥＣＵ２０からの指令に基づいてヒータ３９を作動させる。

エンジンシステム１は、そのエンジンシステム１の全体制御を司るＥＣＵ２０（電子制御装置）を備えている。そのＥＣＵ２０は、通常のコンピュータの構造を有するものとし、具体的には、図３に示すように、各種演算を行うＣＰＵ２５、各種情報の記憶を行うＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７、バックアップＲＡＭ２８、各種センサが検出した信号の入力が行われる入力ポート３０、ＥＤＵ１９や制御コントローラ１８等への制御信号の出力が行われる出力ポート３１を有する。ＥＣＵ２０内の各構成は、双方向性バス２９により、各構成間で信号の送受信が可能に接続されている。

ＥＣＵ２０（ＣＰＵ２５）は、例えば、各種センサからの検出信号に基づきエンジン１０の運転状態を検出し、運転状態に応じた最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧といった噴射パラメータを算出して、その噴射パラメータで噴射させるようにＥＤＵ１９に指令する（噴射制御）。燃料噴射量についていえば、ＥＣＵ２０は、例えば、エアフロメータ６が検出する吸入空気量に基づいて、理論空燃比となる燃料噴射量を算出する。また、ＥＣＵ２０は、エンジン１０の運転状態に応じた燃料点火時期を求め、その点火時期で点火プラグを制御する（点火制御）。また、ＥＣＵ２０は、例えば、アクセルペダルセンサ２１が検出するアクセルペダルの開度が大きいほどスロットルバルブ５の開度を大きくする（吸入空気量を多くする）。また、エンジン１０においては、吸排気弁の開閉タイミングを可変とする可変バルブタイミング機構が備えられており、ＥＣＵ２０は、エンジン１０の運転状態に応じて可変バルブタイミング機構を制御、つまり、吸排気弁の開閉タイミングを制御する（可変バルブタイミング制御）。この可変バルブタイミング制御においては、例えば吸気弁の開弁時期と排気弁の開弁時期とのオーバーラップを大きくして、排気ガスの一部を筒内に戻す内部ＥＧＲを増やすことで、ＮＯｘを低減できる。

さらに、ＥＣＵ２０は、エンジン１０の運転制御の他に、排気ガスの浄化に関する制御も実行する。以下、この排気ガスの浄化制御を詳細に説明する。ここで、図４は、燃料性状の違いにより、ＰＭ粒径に対するＰＭ数がどのように変わるかの実験結果を示している。図４において、燃料Ａは硫黄分が少ない燃料とされ、燃料Ｂは燃料Ａに比べて硫黄分が多い粗悪燃料とされている。図４に示すように、燃料性状（燃料Ａ、Ｂ）の違いによっては、大径（３０ｎｍ以上）のＰＭにはそれほど影響を及ぼさない。これに対し、小径（３０ｎｍ以下）のＰＭにあっては、燃料性状の影響で大きく変化し、具体的には、燃料Ｂのほうが燃料Ａよりも小径のＰＭ数が増加する。このことから、硫黄分が多い燃料を使用すると、硫黄に起因したＰＭ、つまりサルフェートが増加すると言える。また、サルフェートは主に小径側に分布していると考えられる。

ＥＣＵ２０は、排気ガスの浄化制御として、ＰＭの中でも特に燃料性状の影響で大きく変化する小径ＰＭを低減する処理を実行する。図５はこの処理のフローチャートを示している。図５の処理は、例えばエンジン１０の始動と同時に開始し、以降、所定周期で繰り返し実行される。

図５の処理を開始すると、ＥＣＵ２０は、先ず、ＰＭの排出量に寄与するエンジン１０の運転状態（パラメータ）を読み込む（Ｓ１）。具体的には、例えば、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）、エンジン回転数、エンジン負荷、燃料噴射時期、燃料噴射圧、燃料点火時期を読み込む。部分負荷時における各パラメータとＰＭ排出量との関係を簡単に説明すると、エンジン水温が低いほどＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。エンジン回転数が高いほど、１サイクルが短くなり、筒内に噴射した燃料が気化する期間が短くなることで、燃料が気化しにくくなり、結果、ＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。エンジン負荷が高いほど、ＰＭの元となる燃料の噴射量が多くなるので、ＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。燃料噴射時期が上死点に近いほど、噴射した燃料がピストンの頂部に付着しやすくなり、付着した燃料が気化しにくくなるため、ＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。燃料噴射圧が低いほど、噴射した燃料が気化しにくくなるため、ＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。燃料点火時期が早いほどＰＭ排出量が増加しやすい傾向となる。

エンジン水温は水温センサ２２の検出値とすれば良い。エンジン回転数は回転数センサ１７の検出値とすれば良い。エンジン負荷は、ＥＣＵ２０自身が設定した燃料噴射量の指令値とすれば良い。燃料噴射圧は噴射圧センサ２３の検出値とすれば良い。燃料点火時期はＥＣＵ２０自身が設定した燃料点火時期の指令値とすれば良い。Ｓ１で読み込んだ運転状態は後述のＳ７の判定で用いる閾値Ｎ_Ａを設定するために用いられる。

次に、排気温センサ１６が検出する排気温度Ｔ_ＥＸを読み込む（Ｓ２）。なお、Ｓ２の処理を実行するＥＣＵ２０及び排気温センサ１６が本発明の排気温取得手段に相当する。次に、排気温度Ｔ_ＥＸが予め定められた温度範囲内（下限温度Ａ、上限温度Ｂの範囲内）にあるか否かを判断する（Ｓ３）。この温度範囲は、小径ＰＭ（サルフェート）が発生しやすい温度範囲として設定されている。温度範囲における下限温度Ａは例えば３００℃とすることができる。サルフェートは、筒内での燃焼により生成されたＳＯ_２が酸化触媒（図１の例では触媒１３）において酸化されることでＳＯ_３に変換され、そのＳＯ_３が空気中の水分と反応することで発生する。排気温度が３００℃を超えると酸化触媒でのＳＯ_３生成率が急激に上昇する。反対に、排気温度が３００℃以下では酸化触媒でのＳＯ_３生成率は低く、サルフェートは少ないと考えられる。

一方、本発明者は、排気温度が６５０℃以上となると小径ＰＭは分解されるという知見を得ているが（図１０も参照）、上限温度Ｂは、例えば小径ＰＭが分解可能な温度（分解可能温度）の下限値に相当する６５０℃とすることができる。なお、Ｓ３の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の排気温判定手段に相当する。

排気温度Ｔ_ＥＸがＡからＢの温度範囲外にある場合、つまり、排気温度Ｔ_ＥＸが３００℃以下又は６５０℃以上の場合には（Ｓ３：Ｎｏ）、図５の処理を終了する。この場合には、もともと小径ＰＭの発生が少ないと考えられるので、以降で説明する小径ＰＭの低減処理である排気温度の上昇処理を実施しない。

排気温度Ｔ_ＥＸがＡからＢの温度範囲内にある場合、つまり、排気温度Ｔ_ＥＸが３００℃より大きく、６５０℃未満の場合には（Ｓ３：Ｙｅｓ）、排気ガス中のＰＭの平均粒径Ｄ_ＰＭを検出する（Ｓ４）。ここで、図６、図７は、ＰＭの平均粒径の検出方法を説明するための図であり、詳しくは、図６は、基板３５の加熱前後における時間に対するセンサ出力の変化を示している。図６では、基板３５に付着したＰＭが互いに同じ粒径としたときのそのＰＭが小粒径である場合のセンサ出力と、ＰＭが大粒径である場合のセンサ出力のそれぞれを示している。なお、図６では、見やすくするために、小粒径のセンサ出力と大粒径のセンサ出力とを上下にずらして図示しているが、実際は、ヒータ加熱前では、小粒径と大粒径とでセンサ出力はそれほど違いはない。

図７は、基板３５を加熱したことにより上昇したセンサ出力のその上昇の度合いを示した値である出力増幅率と、ＰＭの平均粒径との関係を示している。なお、図７の縦軸は、平均粒径の逆数を示している。また、図７の各点は、ＴＳＩ Ｉｎｃ．社製のＥＥＰＳ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅｒ）Ｓｐｅｃｔｏｒｏｍｅｔｅｒで計測したＰＭの粒径分布において、個数累積分布での中央値となる粒径、つまりメジアン径を示す実験結果の点を示している。

図６、図７を参照して、平均粒径Ｄ_ＰＭの検出方法を説明する。図６に示すように、ヒータ３９を作動させて基板３５を加熱すると、基板３５の温度が次第に上昇していき、その温度上昇に伴いセンサ出力も次第に上昇する。これは、基板３５の加熱により基板３５に捕集されたＰＭも加熱されることで、そのＰＭの結晶構造が変化し、導電率が向上するためである。すなわち、加熱によって、導電性の低いアモルファス状態から、導電性の高い結晶状態にＰＭの構造が変化するためである。なお、図６では、ヒータ３９をＰＭの燃焼温度（例えば７００℃）に加熱した場合のセンサ出力を示している。そのため、図６では、加熱により基板３５の温度が次第に上昇するに伴い、最初はＰＭの結晶構造が変化することでセンサ出力が上昇し、ある値Ｖ２をピークとして以降の時間では、ＰＭが燃焼することでセンサ出力が低下していき、最終的に、センサ出力はＰＭが無い状態、つまり略ゼロとなる。これは、加熱開始からピーク値Ｖ２までの間は、基板３５の温度はＰＭが燃焼しない温度となっており、ピーク値Ｖ２以降ではＰＭが燃焼する温度になるためである。

このとき、加熱開始時のセンサ出力をＶ１（図６参照）、加熱により上昇したセンサ出力のピーク値をＶ２（図６参照）とすると、Ｖ１に対するＶ２の増幅率Ｖ２／Ｖ１は、平均粒径Ｄ_ＰＭに相関する（図７参照）。具体的には、図７に示すように、出力増幅率Ｖ２／Ｖ１は、平均粒径Ｄ_ＰＭの逆数とほぼ正の相関（比例関係）を有する。つまり、出力増幅率Ｖ２／Ｖ１が大きいほど平均粒径Ｄ_ＰＭが小さくなる（平均粒径Ｄ_ＰＭの逆数が大きくなる）。これは、粒径が小さいＰＭほどアモルファス状態であり、もともとの導電率が低いため、加熱によって結晶化した際の導電率の変化量が大きくなるためである。

図８は、図６、図７の知見に基づく平均粒径Ｄ_ＰＭの検出処理のフローチャートを示している。図８の処理に移行すると、先ず、ＰＭセンサ１４の出力が所定値Ｖ１になったか否かを判断する（Ｓ１１）。ＰＭセンサ１４はある程度の量のＰＭが基板３５に付着した時に電極３６間が導通して出力を発生するが、所定値Ｖ１は、例えば出力発生後の値、つまりゼロより大きい値に設定される。また、ＰＭセンサ１４では、例えば出力値が所定値になった時にヒータ３９を作動させて、基板３５に付着したＰＭを燃焼させるセンサ再生を行うが、Ｓ１１の所定値Ｖ１は、例えばセンサ再生が行われる出力値に設定される。

センサ出力が所定値Ｖ１に達していない場合には（Ｓ１１：Ｎｏ）、所定値Ｖ１に達するまで待機する。センサ出力が所定値Ｖ１に達した場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、このセンサ出力値Ｖ１を読み込んで、加熱前のセンサ出力値として保持しておく（Ｓ１２）。なお、加熱前のセンサ出力値Ｖ１は固定値であるので、ＲＯＭ２６（図１参照）に予め記憶しておいても良い。

次に、制御コントローラ１８（図１参照）に指令して、ヒータ３９を作動させる（Ｓ１３）。このとき、ＰＭが燃焼する温度（６００℃以上）で基板３５を加熱しても良いし、ＰＭが燃焼しない温度（例えば４００℃程度）で基板３５を加熱しても良い。なお、ＰＭが燃焼しない温度で基板３５を加熱した場合には、図６のピーク値Ｖ２の以降の時間におけるセンサ出力は低下せずにピーク値Ｖ２に維持される。

次に、基板３５の加熱により上昇したセンサ出力のピーク値Ｖ２（加熱後出力値）を制御コントローラ１８から読み込む（Ｓ１４）。具体的には、例えば、加熱開始からのセンサ出力をモニターすることでピーク値Ｖ２を検出しても良いし、センサ出力がピークを示す加熱開始からの時間を予め調べておき、その時間におけるセンサ出力値をピーク値として検出しても良い。

次に、Ｓ１２、Ｓ１４で読み込んだ出力値Ｖ１、Ｖ２に基づいて、出力増幅率Ｖ２／Ｖ１を算出する（Ｓ１５）。次に、Ｓ１５で算出した出力増幅率Ｖ２／Ｖ１に基づいて、排気ガス中のＰＭの平均粒径を算出する（Ｓ１６）。具体的には、図７に示すように、出力増幅率と、ＰＭの平均粒径との関係１００を予め調べて、ＲＯＭ２６に記憶しておく。図７の関係１００は、図７に示す複数の測定点間の近似直線である。この関係１００と、今回の出力増幅率Ｖ２／Ｖ１とに基づいて、平均粒径を算出する。その後、図８の処理を終了して、図５の処理に戻る。

なお、図８の処理で得られるＰＭの平均粒径は、エンジン１０から単位時間当たりに排出されるＰＭの平均粒径に相当する。また、図７の関係１００は、ＰＭセンサ１４で捕集されたＰＭが互いに同じ粒径であると仮定したときの出力増幅率と、その捕集されたＰＭの粒径（代表粒径）との関係であるとも言える。よって、図８の処理（図５のＳ４の処理）では、ＰＭセンサ１４で捕集されたＰＭが互いに同じ粒径であると仮定したとき、言い換えると、エンジン１０から互いに同じ粒径のＰＭが排出されたと仮定したときのＰＭの粒径である代表粒径を求めることを意味する。

なお、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の上昇値取得手段に相当する。Ｓ１３の処理を実行するＥＣＵ２０及び制御コントローラ１８が本発明のヒータ制御手段に相当する。Ｓ１６の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の粒径取得手段に相当する。また、図７の関係１００を記憶するＲＯＭ２６が本発明の記憶手段に相当する。出力増幅率Ｖ２／Ｖ１が本発明の上昇値に相当する。また、ＰＭセンサ１４、制御コントローラ１８、ＲＯＭ２６及び図５のＳ４の処理（図８の処理）を実行するＥＣＵ２０が本発明の粒径検出手段に相当する。また、Ｓ１１の所定値Ｖ１が本発明の出力閾値に相当する。

図５の処理に戻って、次に、排気ガス中のＰＭ数Ｎ_ＰＭを検出する（Ｓ５）。ここでは、以下の式１に基づいて、排気ガス中の全てのＰＭが、Ｓ４で検出した平均粒径（代表粒径）を有していると仮定したときのＰＭ数を求める。

式１において、ＰＭ重量は、ＰＭセンサ１４の出力が所定値（図８のＳ１２で読み込む所定値Ｖ１と同じ）に達した時の基板３５に付着しているＰＭの総重量を意味する。このＰＭ重量は、図９に示すように、電極３６の間隔が大きいほど大きい値となる。これは、電極３６の間隔が大きいほど、電極３６間にＰＭによる導通パスを形成するのに必要なＰＭ数が多くなり、ＰＭ数が多くなればＰＭ重量が大きくなるためである。これを言い換えると、電極３６の間隔が大きいほど、基板３５に付着したＰＭ数に対するセンサ出力の変化が緩やかになり、センサ出力が所定値に達するのに必要なＰＭ数が多くなるためである。

このように、ＰＭ重量は電極３６の間隔に相関するので、その間隔に応じたＰＭ重量を予め調べておくことができる。予め調べたＰＭ重量をＲＯＭ２６に記憶しておき、記憶したＰＭ重量を式１のＰＭ重量とすれば良い。このことは、ＰＭセンサの電極の間隔を種々変えたときの電極の間隔とＰＭ重量との関係２００（図９参照）及び今回使用するＰＭセンサ１４の電極３６の間隔とを調べて、これらに基づいてＰＭ重量を得ることと同義である。

式１において、ＰＭ平均体積は排気ガス中のＰＭの平均体積を意味する。このＰＭ平均体積は、基板３５に付着した全てのＰＭがＳ４で検出した平均粒径（代表粒径）を有していると仮定し、かつ、各ＰＭが球状であると仮定したときの１つ当たりのＰＭの体積に相当する。このＰＭ平均体積は、Ｓ４で検出した平均粒径Ｄ_ＰＭを用いて以下の式２により求めることができる。式２は、半径ｒの球の体積の公式（４πｒ^３／３）の半径ｒをＤ_ＰＭ／２とした式である。
ＰＭ平均体積＝４π（Ｄ_ＰＭ／２）^３／３ ・・・（式２）

また、式１において、ＰＭ密度は、ＰＭの単位体積当たりの重量であり、予め定められた値を用いれば良い。

式１のＰＭ数は、厳密には、ＰＭセンサ１４の出力が所定値Ｖ１に達した時に基板３５に付着しているＰＭ数を意味するが、エンジン１０から排出されるＰＭの一部が基板３５に付着することから、エンジン１０から排出されるＰＭ数に相当する。エンジン１０から排出されるＰＭ数をより正確に得るために、式１の右辺に、ＰＭセンサ１４によるＰＭの捕集率を考慮した係数を乗算しても良い。

なお、Ｓ５の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の体積取得手段及び数取得手段に相当する。また、ＰＭセンサ１４及びＳ５の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の数検出手段に相当する。

図５の説明に戻り、次に、Ｓ４で検出したＰＭの平均粒径Ｄ_ＰＭが所定値Ｄ_Ａ以下か否かを判断する（Ｓ６）。この所定値Ｄ_Ａは、小径ＰＭか否かを区分する値に設定され、例えば図４に示すように燃料性状の違いでＰＭ数の違いが顕著にあらわれる粒径３０ｎｍ以下の値（例えば２０ｎｍ）に設定される。なお、Ｓ６の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の粒径判定手段に相当する。また、所定値Ｄ_Ａが本発明の粒径閾値に相当する。平均粒径Ｄ_ＰＭが所定値Ｄ_Ａより大きい場合には（Ｓ６：Ｎｏ）、図５の処理を終了する。この場合には、今回使用している燃料は硫黄分が少ない良質燃料であって、小径ＰＭ（サルフェート）の発生が少ないと考えられるので、以降で説明するＳ８の小径ＰＭの低減処理を実施しない。

一方、平均粒径Ｄ_ＰＭが所定値Ｄ_Ａ以下の場合には（Ｓ６：Ｙｅｓ）、次に、Ｓ５で検出したＰＭ数Ｎ_ＰＭが所定値Ｎ_Ａ以上か否かを判断する（Ｓ７）。この所定値Ｎ_Ａは、例えば、粗悪燃料（図４の燃料Ｂ）を使用した場合にはＰＭ数Ｎ_ＰＭが所定値Ｎ_Ａ以上となり、良質燃料（図４の燃料Ａ）を使用した場合にはＰＭ数Ｎ_ＰＭが所定値Ｎ_Ａ未満となる値に設定される。つまり、粗悪燃料と良質燃料とで、Ｓ７の判定結果が分かれるように、所定値Ｎ_Ａを設定する。このとき、Ｓ１で読み込んだエンジン運転状態に応じてＰＭの排出量が変わってくるので、その運転状態に応じた所定値Ｎ_Ａを設定する。例えば、ＰＭの排出量が多いエンジン運転状態ほど、所定値Ｎ_Ａを大きくする。そのために、エンジン運転状態に応じた所定値Ｎ_ＡのマップをＲＯＭ２６に記憶しておき、そのマップと今回のエンジン運転状態とに基づいて所定値Ｎ_Ａを設定する。なお、Ｓ７の処理を実行するＥＣＵ２０が本発明の数判定手段に相当する。また、所定値Ｎ_Ａが本発明の数閾値に相当する。

ＰＭ数Ｎ_ＰＭが所定値Ｎ_Ａ未満の場合には（Ｓ７：Ｎｏ）、図５の処理を終了する。この場合には、今回使用している燃料は硫黄分が少ない良質燃料であって、小径ＰＭ（サルフェート）の発生が少ないと考えられるので、Ｓ８の小径ＰＭの低減処理を実施しない。

これに対し、ＰＭ数Ｎ_ＰＭが所定値Ｎ_Ａ以上の場合には（Ｓ７：Ｙｅｓ）、今回使用している燃料は硫黄分が多い粗悪燃料の可能性があり、小径ＰＭの発生が多いと考えられるので、小径ＰＭの低減処理として、小径ＰＭが分解する温度である６５０℃以上の温度となるように排気温度を上昇させる（Ｓ８）。図１０は、６５０℃より低いある排気温度における小径ＰＭ（２０ｎｍ以下のＰＭ）の発生量に対する、各排気温度における小径ＰＭの発生量の変化率を示している。図１０に示すように、排気温度が６５０℃以上の範囲では、小径ＰＭの変化率が低下している。このことから、排気温度を６５０℃以上にすることで、小径ＰＭを分解（低減）できる。

排気温度を６５０℃以上にするため、例えば、ヒータ１５（図１参照）を作動させる。このとき、排気温センサ１６が検出する排気温度をモニターしながら、排気温度が６５０℃以上となるようにヒータ１５の通電量（加熱量）を調整する。

また、ヒータ１５に代えて、エンジン１０の制御によって排気温度を６５０℃以上に上昇させても良い。具体的には、例えば、燃料の点火時期を遅らせることで、燃焼行程の後期の燃焼量（後燃え量）が増加して、排気温度を上昇させることができる。また、例えば、筒内に吸入する空気量を増やすよう吸気弁の開閉タイミングを調整することで、筒内での燃焼温度を上昇でき、燃焼温度の上昇に伴い排気温度も上昇させることができる。また、例えば、内部ＥＧＲ量を減らすよう排気弁の開閉タイミングを調整することで、筒内での燃焼温度を上昇でき、燃焼温度の上昇に伴い排気温度も上昇させることができる。なお、エンジンシステム１に、排気系から吸気系に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ装置が設けられている場合には、外部ＥＧＲ量を減らすことで、排気温度を上昇させることができる。エンジン制御で排気温度を上昇させる場合には、ヒータ１５は設けられていなくても良い。なお、ヒータ１５とエンジン制御の両方を用いて、排気温度を６５０℃以上に上昇させても良い。

また、排気温度の上昇処理は、次回以降の図５の処理において、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７のいずれかの処理が否定判定されるまで継続しても良いし、次回の給油のタイミングまで継続しても良い。給油のタイミングまで排気温度の上昇処理を継続することで、粗悪燃料を使用している間はその上昇処理を継続させることができる。給油のタイミングまで継続する場合には、例えば燃料タンク内の残燃料量を検知するセンサを設けて、そのセンサにより残燃料量が増加したことを検知した場合に、給油があったと判断すれば良い。Ｓ８の後、図５の処理を終了する。なお、Ｓ８の処理を実行するＥＣＵ２０及びヒータ１５が本発明の排気温上昇手段に相当する。

以上説明したように、本実施形態によれば、図６、図７の知見に基づきＰＭの平均粒径（代表粒径）を検出して、その平均粒径が所定値以下か否かを判断するので、小径ＰＭの発生が多いか少ないかを、排気温度やＳＯ_２等のパラメータで代用しなくても直接かつ高精度に検出できる。さらに、本実施形態では、平均粒径に加えて、図５のＳ５でＰＭ数も検出しているので、ＰＭ数が所定値以上か否かを判断することで（図５のＳ７）、より精度良く、小径ＰＭの発生が多いか少ないかを検出できる。

また、小径ＰＭの発生が多い場合には、小径ＰＭが分解可能な温度に排気温度を上昇させるので、他のエミッションの浄化を犠牲にすることなく小径ＰＭを低減できる。なお、ガソリンエンジンにあっては、ディーゼルエンジンに比べてＰＭ排出量が少ないことから、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）のようなＰＭを捕集するフィルタが設けられない場合がある。また、小径ＰＭは現状のエミッション規制の対象外であったとしても、将来的に規制対象となる可能性がある。小径ＰＭが規制対象となったときに、本発明を適用することで、フィルタを設けなくても、規制を満たすことができる。

本実施形態では、ガソリンエンジン１０のシステムに本発明を適用しており、ガソリンエンジン１０はディーゼルエンジンに比べてエンジン制御によって排気温度を上昇させやすいので、ヒータ１５を設けなくても小径ＰＭが分解する温度まで排気温度を簡単に上昇させることができる。ヒータ１５を省略することで、構成を簡素にできる。

また、小径ＰＭが少ない場合には（Ｓ３：Ｎｏ、Ｓ６：Ｎｏ、Ｓ７：Ｎｏ）、排気温度の上昇処理を実施しないので、ヒータ１５の電力消費の増加を抑制でき、また燃費の低下を抑制できる。

また、Ｓ７では、エンジン運転状態に基づいて所定値Ｎ_Ａを設定するので、燃料性状に起因して小径ＰＭが多いという状況を正確に判定できる。言い換えると、エンジン運転状態の影響でＳ７の判定結果がばらつくのを抑制できる。その結果、粗悪燃料を使用していた場合にはＳ７は肯定判断されやすく、良質燃料を使用していた場合にはＳ７は否定判断されやすくなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではエンジン運転状態に応じてＰＭ数の閾値（Ｓ７の所定値Ｎ_Ａ）を変えていたが、エンジン運転状態にかかわらず一定の閾値を用いても良い。この場合、図５のＳ１の処理を省略できる。

また、図５のＳ３の処理を省略しても良い。また、Ｓ７の処理を省略しても良い。Ｓ３やＳ７の処理を省略することで、Ｓ８の処理を実行しやすくなるので、小径ＰＭをより確実に低減できる。また、図８の処理では、出力増幅率Ｖ２／Ｖ１に基づいてＰＭの平均粒径を求めていたが、ヒータ加熱後のセンサ出力Ｖ２と加熱前のセンサ出力Ｖ１の差分（Ｖ２−Ｖ１）に基づいて平均粒径を求めても良い。また、上記実施形態では、筒内に燃料を直接噴射する直噴型のガソリンエンジンのシステムに本発明を適用した例を示したが、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型のガソリンエンジンのシステムに本発明を適用しても良い。また、ディーゼルエンジンのシステムに本発明を適用しても良い。

１０ ガソリンエンジン
１２ 排気通路
１４ ＰＭセンサ
１５ ヒータ
１８ 制御コントローラ
２０ ＥＣＵ
２６ ＲＯＭ
３５ 基板
３６ 電極
３９ ＰＭセンサのヒータ

Claims (9)

1. 内燃機関（１０）から排出される排気ガス中の粒子状物質の平均粒径を検出する粒径検出手段（１４、１８、２６、２０、Ｓ４）と、
   前記平均粒径が予め定められた粒径閾値以下か否かを判定する粒径判定手段（２０、Ｓ６）と、
   前記平均粒径が前記粒径閾値以下の場合に、小径の粒子状物質が分解可能な温度である分解可能温度に排気温度を上昇させる排気温上昇手段（２０、Ｓ８、１５）と、
   を備え、
   前記粒径閾値は、前記内燃機関に使用する燃料が硫黄分が多い粗悪燃料か硫黄分が少ない良質燃料かに応じて粒子状物質数の違いが顕著にあらわれる小径の粒子状物質における粒径の値に設定されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気ガス中の粒子状物質の数を検出する数検出手段（１４、２０、Ｓ５）と、
   前記数が予め定められた数閾値以上か否かを判定する数判定手段（２０、Ｓ７）とを備え、
   前記排気温上昇手段は、前記平均粒径が前記粒径閾値以下、且つ前記数が前記数閾値以上の場合に前記分解可能温度に排気温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気温上昇手段は、前記平均粒径が前記粒径閾値より大きい場合、又は前記数が前記数閾値未満の場合には前記分解可能温度への排気温度の上昇を中止することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 排気温度を取得する排気温取得手段（１６、２０、Ｓ２）と、
   前記排気温取得手段が取得した排気温度が小径の粒子状物質が発生しやすい所定の温度範囲内にあるか否かを判定する排気温判定手段（２０、Ｓ３）とを備え、
   前記排気温上昇手段は、排気温度が前記温度範囲内にある場合に前記分解可能温度への排気温度の上昇を許可し、排気温度が前記温度範囲外にある場合には前記分解可能温度への排気温度の上昇を中止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記分解可能温度は６５０℃以上の温度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記粒径検出手段は、
   前記内燃機関の排気通路（１２）に設けられ、間隔を空けて並置された複数の電極（３６）及びヒータ（３９）を有した素子部（３５）を備え、前記素子部に付着した粒子状物質の数に応じて変化する前記電極間の抵抗に応じた値を出力するセンサ（１４）と、
   前記ヒータの作動を制御するヒータ制御手段（１８、２０、Ｓ１３）と、
   前記ヒータ制御手段が前記ヒータを作動させたことにより上昇した前記センサの出力値のその上昇の度合いを示した値である上昇値を取得する上昇値取得手段（２０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５）と、
   排気ガス中の粒子状物質の平均粒径と前記上昇値との関係（１００）を記憶する記憶手段（２６）と、
   前記上昇値と前記関係とに基づいて前記平均粒径を取得する粒径取得手段（２０、Ｓ１６）とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記ヒータ制御手段は前記センサの出力値が予め定められた出力閾値を超えた時に前記ヒータを作動させ、
   前記数検出手段は、
   前記センサと、
   前記平均粒径に基づいて排気ガス中の粒子状物質の平均体積を取得する体積取得手段（２０、Ｓ５）と、
   前記センサの出力値が前記出力閾値を超えた時の前記素子部に付着した粒子状物質の重量として予め定められた重量、前記平均体積、及び予め定められた粒子状物質の密度に基づいて前記数を取得する数取得手段（２０、Ｓ５）とを備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 内燃機関（１０）の排気通路（１２）に設けられ、間隔を空けて並置された複数の電極（３６）及びヒータ（３９）を有した素子部（３５）を備え、前記素子部に付着した粒子状物質の数に応じて変化する前記電極間の抵抗に応じた値を出力するセンサ（１４）と、
   前記ヒータの作動を制御するヒータ制御手段（１８、２０、Ｓ１３）と、
   前記ヒータ制御手段が前記ヒータを作動させたことにより上昇した前記センサの出力値のその上昇の度合いを示した値である上昇値を取得する上昇値取得手段（２０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５）と、
   排気ガス中の粒子状物質の平均粒径と前記上昇値との関係（１００）を記憶する記憶手段（２６）と、
   前記上昇値と前記関係とに基づいて前記平均粒径を取得する粒径取得手段（２０、Ｓ１６）と、
   前記粒径取得手段が取得した前記平均粒径が予め定められた粒径閾値以下か否かを判定する粒径判定手段（２０、Ｓ６）と、
   を備え、
   前記粒径閾値は、前記内燃機関に使用する燃料が硫黄分が多い粗悪燃料か硫黄分が少ない良質燃料かに応じて粒子状物質数の違いが顕著にあらわれる小径の粒子状物質における粒径の値に設定されることを特徴とする粒子状物質検出装置。
9. 前記ヒータ制御手段は前記センサの出力値が予め定められた出力閾値を超えた時に前記ヒータを作動させ、
   前記平均粒径に基づいて排気ガス中の粒子状物質の平均体積を取得する体積取得手段（２０、Ｓ５）と、
   前記センサの出力値が前記出力閾値を超えた時の前記素子部に付着した粒子状物質の重量として予め定められた重量、前記平均体積、及び予め定められた粒子状物質の密度に基づいて粒子状物質の数を取得する数取得手段（２０、Ｓ５）とを備えることを特徴とする請求項８に記載の粒子状物質検出装置。

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