JP6500507B2 - センサ - Google Patents

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Description

本発明は、センサに関し、特に、排気中に含まれる粒子状物質(以下、PMという)を検出するPMセンサに関するものである。
ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のPMを捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ(Diesel Particulate Filter、以下、DPF)が知られている。一般的に、DPFは、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを備え、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成される。
DPFのPM捕集量には限度があるため、PM堆積量が所定量に達すると、これら堆積したPMを燃焼除去するいわゆる強制再生が必要になる。そのため、強制再生の制御には、PM堆積量を精度良く測定することが望まれる。
例えば、特許文献1には、排気下流側が目封止された測定用セルを挟んで対向する一対のセルに一対の電極をそれぞれ挿入し、これら電極間で形成されるコンデンサの静電容量に基づいてPM堆積量を検出するPMセンサが開示されている。
特開2012−241643号公報 特開2014−055820号公報
しかしながら、上述の従来のPMセンサでは、静電容量の検出値が温度に依存し変化するため、PM堆積量を正確に求めることができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、PM堆積量を正確に求めることが可能なセンサを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極を設けたセンサ部と、前記電極間の抵抗とインピーダンスとを基に静電容量を求め、求めた静電容量に基づいて前記フィルタ部材に捕集される粒子状物質の堆積量を推定する推定手段と、を備えた静電容量式のセンサからなり、前記センサ部の温度を検出する温度検出手段を備え、前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した前記センサ部の温度に応じて前記電極間の抵抗とインピーダンスとをそれぞれ補正し、補正後の前記電極間の抵抗とインピーダンスから求めた静電容量を基に、粒子状物質の堆積量を推定するように構成されるセンサである。
本発明によれば、PM堆積量を正確に求めることが可能なセンサを提供できる。
本発明の一実施形態に係るセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。 (a)はセンサ部を排気下流側から視た模式的な斜視図、(b)はセンサ部の一部を排気下流側から視た模式的な平面図である。 本発明において、静電容量Cpの温度特性の一例を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係るセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態に係る診断装置を説明する。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。
図1は、本実施形態に係るセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。
図1に示すように、内燃機関であるディーゼルエンジン(以下、単にエンジン)10には、吸気マニホールド10aと排気マニホールド10bとが設けられている。吸気マニホールド10aには新気を導入する吸気通路11が接続され、排気マニホールド10bには排気ガスを大気に放出する排気通路12が接続されている。
排気通路12には、排気上流側から順に、排気管内噴射装置13、排気後処理装置14が設けられている。
排気管内噴射装置13は、電子制御ユニット(以下、ECU)20から出力される指示信号に応じて、排気通路12内に未燃燃料(HC)を噴射する。なお、エンジン10の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置13を省略してもよい。なお、ECU20は、エンジン10や排気管内噴射装置13の燃料噴射等の各種制御を行うものであり、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。
排気後処理装置14は、ケース14a内に排気上流側から順に酸化触媒15、DPF16を配置して構成されている。
酸化触媒15は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミックス製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒15は、DPF16の強制再生時に、排気管内噴射装置13又はポスト噴射によって未燃燃料(HC)が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。これにより、DPF16はPM燃焼温度(例えば、約600℃)まで昇温されて、堆積したPMが燃焼除去される。
DPF16は、本発明のフィルタ部材を構成するものであり、排気通路12に配置されて排気中のPMを捕集するセルを含む。DPF16は、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。
DPF16の近傍の上流側には、DPF入口温度センサ31が配置され、DPF16の近傍の下流側には、DPF出口温度センサ32が配置されている。DPF入口温度センサ31は、DPF16に流入する排気ガスの温度(以下、DPF入口温度)を検出するものであり、本発明の温度検出手段102を構成するものである。DPF出口温度センサ32は、DPF16から流出する排気ガスの温度(以下、DPF出口温度)を検出するものである。これらDPF入口温度及びDPF出口温度は、電気的に接続されたECU20に出力される。
図2に示すように、DPF16には、排気上流側が解放(排気下流側が目封止)された複数のセル1が、静電容量の測定用として選定されている(以下、セル1を測定用セルという)。
また、測定用セル1に隔壁を介して隣接する4つのセル2〜5のうち、測定用セル1を挟んで対向する一対のセル2,3には、コンデンサを形成する一対の電極A,Bがそれぞれ挿入されている(以下、セル2,3を電極用セルという)。
さらに、測定用セル1を挟んで対向し、且つ電極A,Bが挿入されない一対のセル4,5には、セル4,5内の排気流路を閉塞する閉塞部材(図示せず)が設けられている(以下、セル4,5を閉塞用セルという)。
閉塞用セル4,5内に設けられる閉塞部材は、例えばDPF16と同一材料のセラミックスで形成されている。閉塞部材は、閉塞用セル4,5の目封止側から非目封止側に至る排気流路を全て塞ぐように、閉塞用セル4,5内の全領域に埋設されている。なお、閉塞部材は必ずしも、閉塞用セル4,5内の全領域に埋設される必要はなく、閉塞用セル4,5内の流路の一部を閉塞(例えば、非目封止側を目封止)するように設けてもよい。
このように、DPF16では、測定用セル1に流入した排気ガスは、閉塞用セル4,5に流れ込むことなく、電極用セル2,3へと流れ込むように構成されている。これにより、測定用セル1に流入した排気ガス中のPMは、電極用セル2,3側の隔壁表面に捕集され、閉塞用セル4,5側の隔壁への堆積が効果的に抑制される。
電極A,Bは、例えば導電性の金属線であって、排気上流側を目封止された電極用セル2,3に非目封止側(排気下流側)から挿入されてコンデンサを形成する。電極用セル2に挿入された電極Aは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属部材で形成された接続線41によって互いに接続されている。同様に、電極用セル3に挿入された電極Bは、排気下流側の基端部を外方に突出させると共に、その基端部を導電性の金属部材で形成された接続線42によって互いに接続されている。
本実施形態において、DPF16からの電極Aの突出量は、接続線41と接続線42との接触を回避するために、電極Bの突出量よりも長く設定されている。なお、これら突出量は、必ずしも電極Aを長くする必要はなく、電極Bを長く設定することもできる。以下、フィルタ部材であるDPF16に、一対の電極A,Bを設けたものをセンサ部8と呼称する。
次に、本実施形態に係るセンサ100について説明する。
本実施形態に係るセンサ100は、上述のセンサ部8と、電極A,B間の静電容量に基づいてDPF16に捕集されるPMの堆積量(PM堆積量)を推定する推定手段101と、を備えた静電容量式のセンサからなる。
推定手段101は、静電容量演算部21と、PM堆積量推定部22と、を備えている。静電容量演算部21とPM堆積量推定部22は、ECU20に搭載されている。なお、静電容量演算部21とPM堆積量推定部22は、ECU20以外のハードウェアユニットに搭載されていてもよい。
静電容量演算部21は、電極A,B間の静電容量Cpを演算するものである。静電容量演算部21は、電極A,B間に直流電圧を印加して電極A,B間の抵抗Rp(コンデンサの内部抵抗値)を測定すると共に、電極A,B間に交流電圧を印加して電極A,B間のインピーダンスZを測定し、以下の数式1により静電容量Cpを演算する。静電容量演算部21における静電容量Cpの演算の詳細については、後述する。
Figure 0006500507
PM堆積量推定部22は、静電容量演算部21で演算される静電容量Cpに基づいて、DPF16に捕集されたPM堆積量を推定する。PM堆積量の推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。
さて、本実施形態に係るセンサ100は、センサ部8の温度を検出する温度検出手段102をさらに備えている。
本実施形態では、温度検出手段102は、DPF16の近傍に設けられた温度センサとしてのDPF入口温度センサ31と、DPF入口温度センサ31の検出値(ここではDPF入口温度)を基に、センサ部8の温度を推定する温度推定部25と、を備えている。つまり、本実施形態では、DPF入口温度からセンサ部8の温度を推定するように温度検出手段102を構成している。なお、温度検出手段102の具体的な構成はこれに限定されるものではなく、例えば、DPF16内部に熱電対を設けるなどして、センサ部8の温度を直接測定するように構成してもよい。
また、本実施形態では、推定手段101である静電容量演算部21は、温度検出手段102で検出したセンサ部8の温度に応じて電極A,B間の抵抗RpとインピーダンスZとをそれぞれ補正し、補正後の電極A,B間の抵抗RpとインピーダンスZから静電容量Cpを求めるように構成されている。PM堆積量推定部22は、補正後の電極A,B間の抵抗RpとインピーダンスZを基に演算した静電容量Cpに基づいて、DPF16に捕集されたPM堆積量を推定するように構成される。
静電容量演算部21は、電極A,B間の抵抗Rpの温度補正を行う抵抗補正部23と、電極A,B間のインピーダンスZの温度補正を行うインピーダンス補正部24と、を備えている。
抵抗補正部23は、予め作成したセンサ部8の温度と抵抗用補正係数との関係を表すマップ(あるいは特性曲線)を備えており、当該マップをセンサ部8の温度で参照して抵抗用補正係数を求め、求めた抵抗用補正係数を抵抗Rpの測定値に掛け合わせることで、抵抗Rpの温度補正を行うように構成される。センサ部8の温度と抵抗用補正係数との関係を表すマップとしては、実験等により予め作成されたものを用いるとよい。
同様に、インピーダンス補正部24は、予め作成したセンサ部8の温度とインピーダンス用補正係数との関係を表すマップ(あるいは特性曲線)を備えており、当該マップをセンサ部8の温度で参照してインピーダンス用補正係数を求め、求めたインピーダンス用補正係数をインピーダンスZの測定値に掛け合わせることで、インピーダンスZの温度補正を行うように構成される。センサ部8の温度とインピーダンス用補正係数との関係を表すマップとしては、実験等により予め作成されたものを用いるとよい。なお、インピーダンスZは抵抗Rpの温度特性と静電容量Cpの温度特性の両者を含むことになるので、この両者の温度特性を考慮してインピーダンス用補正係数が設定される。
電極A,B間に形成されるコンデンサは、内部抵抗(抵抗Rp)を含んでおり、静電容量Cpのみならず、内部抵抗も温度特性を有していることが確認されている。したがって、内部抵抗の温度特性を考慮せずに静電容量Cpの温度補正を行うのみでは、正確な静電容量Cpを得ることができず、正確なPM堆積量を求めることはできない。
本実施形態では、温度補正後の抵抗RpとインピーダンスZとを基に静電容量Cpの演算を行っているため、内部抵抗の温度特性と静電容量の温度特性の両者を考慮して、正確な静電容量Cpを求めることが可能であり、正確なPM堆積量を求めることが可能になる。
以上説明したように、本実施形態に係るセンサ100では、センサ部8の温度を検出する温度検出手段102を備え、推定手段101は、温度検出手段102で検出したセンサ部8の温度に応じて電極A,B間の抵抗RpとインピーダンスZとをそれぞれ補正し、補正後の電極A,B間の抵抗RpとインピーダンスZから求めた静電容量Cpを基に、PM堆積量を推定するように構成されている。
このように構成することで、センサ部8の温度の影響を受けることなく、正確にPM堆積量を推定することが可能になる。
本発明は上記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種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施形態では言及しなかったが、図3に示すように、PM自体も温度特性を有しており、静電容量CpにはDPF16を構成する材質の温度特性のみならず、PM自体の温度特性も影響を与えると考えられる。そこで、PMの温度特性による影響も補償できるように推定手段101を構成してもよい。例えば、測定した静電容量Cpとセンサ部8の温度とにより参照される補正係数マップを備え、補正係数マップで得た補正係数を静電容量Cpに掛け合わせることで、PMの温度特性による影響を補償することが考えられる。
また、上記実施形態では、DPF16は、排気通路12内に測定用セル1の非目封止側を排気上流側に向けて配置されるものとして説明したが、測定用セル1の目封止側を排気上流側に向けて配置してもよい。また、閉塞用セル4,5の閉塞部材を省略して構成してもよい。
また、図4に示すように、酸化触媒15よりも下流側の排気通路12から分岐するバイパス通路18を設け、このバイパス通路18内に容量を小さくした計測用のDPF16を配置して構成してもよい。この場合、分岐部よりも下流側の排気通路12には容量の大きいDPF17(第2のフィルタ部材)を設けるとよい。また、計測用のDPF16の強制再生を実行する場合は、電極A,Bに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
8 センサ部
10 エンジン(内燃機関)
12 排気通路
16 DPF(フィルタ部材)
21 静電容量演算部
22 PM堆積量推定部
23 抵抗補正部
24 インピーダンス補正部
100 センサ
101 推定手段
102 温度検出手段
A,B 電極

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極を設けたセンサ部と、前記電極間の抵抗とインピーダンスとを基に静電容量を求め、求めた静電容量に基づいて前記フィルタ部材に捕集される粒子状物質の堆積量を推定する推定手段と、を備えた静電容量式のセンサからなり、
    前記センサ部の温度を検出する温度検出手段を備え、
    前記推定手段は、前記温度検出手段で検出した前記センサ部の温度に応じて前記電極間の抵抗とインピーダンスとをそれぞれ補正し、補正後の前記電極間の抵抗とインピーダンスから静電容量を求め、求めた静電容量を、前記温度検出手段で検出した前記センサ部の温度により補正し、この補正後の静電容量を基に、粒子状物質の堆積量を推定するように構成される
    ことを特徴とするセンサ。
  2. 前記推定手段は、
    前記センサ部の温度と、予め作成した前記センサ部の温度と抵抗用補正係数との関係とを基に抵抗用補正係数を求め、求めた抵抗用補正係数を前記電極間の抵抗の測定値に掛け合わせ補正を行う抵抗補正部と、
    前記センサ部の温度と、予め作成した前記センサ部の温度とインピーダンス用補正係数との関係とを基にインピーダンス用補正係数を求め、求めたインピーダンス用補正係数を前記電極間のインピーダンスの測定値に掛け合わせ補正を行うインピーダンス補正部と、を備える
    請求項1記載のセンサ。
  3. 前記フィルタ部材は、多孔質性の隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する複数の前記セルの上流側と下流側とを交互に目封止されたディーゼルパティキュレートフィルタからなり、
    前記一対の電極は、少なくとも一つの前記セルを測定用セルとし、当該測定用セルに隔壁を介して隣接する四つのセルのうち、対向する一対のセルに非目封止側からそれぞれ挿入される
    請求項1または2記載のセンサ。
  4. 前記温度検出手段は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの近傍に設けられた温度センサと、前記温度センサの検出値を基に、前記センサ部の温度を推定する温度推定部と、を備える
    請求項3記載のセンサ。
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