JP6705269B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、センサに関し、特に、排気ガス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。

従来、内燃機関の排気系に設けられ、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、静電容量型ＰＭセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。静電容量型ＰＭセンサは、対向配置された一対の電極の間に堆積するＰＭにより電極間の静電容量が変化することを利用してＰＭの量を測定する。

特開２０１１−８９７９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、電極に沿った方向（一対の電極が並ぶ方向に直交する方向）に排気ガスが流れるので、精度良く電極間にＰＭを堆積できない場合がある。そのため、静電容量型ＰＭセンサにおいてＰＭの量の測定の精度を向上させる技術の開発が望まれる。

本発明の目的は、ＰＭの量の測定の精度を向上させることが可能なセンサを提供することである。

本発明に係るセンサは、
排気ガスの流通方向に延在する多孔質性の隔壁により囲まれ、且つ、前記隔壁の延在方向の一端側が封止されている、セルを有し、前記排気ガス中の粒子状物質を前記セルにおいて捕集する捕集部材と、
前記隔壁の外側に前記セルを挟んで対向配置された複数の電極部材と、
を備え、
前記セルを囲む前記隔壁のうち、前記電極部材の少なくとも一方の側に位置する電極側隔壁部は、中空部を有し、前記排気ガスを前記セルの内部から前記中空部の内部に流入させて前記捕集部材の外部に排出する。

本発明によれば、ＰＭの量の測定の精度を向上させることができる。

本実施の形態のＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系を示す概略構成図である。 本実施の形態のＰＭセンサを示す部分断面図である。 本実施の形態のＰＭセンサのセンサ部を示す断面図である。 センサ部を流通方向の上流側から見た図である。 センサ部を流通方向の下流側から見た図である。 変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図である。 変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態の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の排気系を示す概略構成図である。排気管１１０には、排気上流側から順に、酸化触媒２１０、ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）２２０、ＮＯ_Ｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施の形態に係るセンサの一例としてのＰＭセンサ１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０、又は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０に設けられる。

次に、図２に基づいて、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１に収容されたセンサ部３０とを備える。

ケース部材１１は、有底円筒状の内側ケース部１１Ａと、内側ケース部１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部１１Ｂとを備えている。内側ケース部１１Ａは、先端側が外側ケース部１１Ｂよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース１１Ｂよりも長く形成されている。内側ケース部１１Ａの軸方向長さは、内側ケース部１１Ａの底部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径と略同一の長さとされている。また、本実施の形態では内側ケース部１１Ａ及び外側ケース部１１Ｂの軸方向断面形状は円形状であるが、内側ケース部１１Ａ及び外側ケース部１１Ｂの軸方向断面形状は、排気管１１０の流路方向（図２における左右方向）を長軸とする楕円形状や、排気管１１０の流路方向に頂点を有するひし形形状、多角形形状等、様々な軸方向断面形状とすることができる。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側を基端側とする。

内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出部１３が設けられている。さらに、内側ケース部１１Ａの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口１４が設けられている。この通過口１４は、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。流路１５の上流端には、内側ケース部１１Ａの先端側筒壁部と外側ケース部１１Ｂの先端部により区画された円環状の導入口１２が設けられている。これにより、排気管１１０を流れる排気ガスは、外側ケース部１１Ｂよりも突出した内側ケース部１１Ａの筒壁面に当たり、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導入口１２から流路１５内に円滑に取り込まれる。流路１５内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１Ａに取り込まれ、センサ部３０を通過した後に、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導出口１３から排気管１１０内に円滑に導出される。

さらに、導入口１２の開口面積Ｓ_１２は、導出口１３の開口面積Ｓ_１３よりも小さく形成されている。こうすることで、導入口１２付近の排気流速Ｖ_１２が導出口１３付近の排気流速Ｖ_１３よりも遅くなり、導入口１２側の圧力Ｐ_１２は導出口１３側の圧力Ｐ_１３よりも高くなる。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると共に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。

このように、導入口１２と導出口１３とを、排気管１１０内で排気流速が最も速くなる軸中心ＣＬ近傍に配置すると共に、導入口１２の開口面積Ｓ_１２を、導出口１３の開口面積Ｓ_１３よりも小さく形成したことで、センサ部３０を通過する排気流量を効果的に高めることが可能となる。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。雄ネジ部２１がボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合されることで、ケース部材１１が排気管１１０に対して固定される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に設けられている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線等を挿通させる貫通穴（不図示）が形成されている。なお、ケース部材１１を排気管１１０に対して固定する方法については上述のネジ係合には限定されず、例えば、ケース部材１１の基端側に排気管１１０の外形に沿った形状のフランジを形成し、該フランジを排気管１１０の外周面にボルト等を用いて固定することによってケース部材１１を排気管１１０に対して固定するようにしても良い。

図３に示すように、センサ部３０は、捕集部材３１と、一対の電極板３２と、コントロールユニット４０と、図示しない電気ヒータとを備えている。電極板３２は、本発明の「電極部材」に対応する。

捕集部材３１は、排気ガスの流通方向（矢印Ｇ１の方向）に延在する、例えば多孔質セラミックスの隔壁３１Ａにより囲まれた格子状の排気流路をなす複数のセルＣを有している。複数のセルＣは、隔壁３１Ａの外側から電極板３２により挟まれる。

セルＣの長手方向すなわち流路方向は、センサ部３０が収容される内側ケース部１１Ａの長手方向と一致しており、排気ガスが導入口１２から導出口１３に至る過程で、セルＣの隔壁３１Ａ表面や細孔に排気ガスに含まれるＰＭ５０が捕集される。捕集部材３１の詳細については後述する。

一対の電極板３２は、例えば平板状の導電性部材であり、一対の電極板３２は、隔壁３１Ａの外側にセルＣを厚さ方向に挟んで交互に積層される。各電極板３２を対向配置し、各電極板３２の間にセルＣを挟持させることで、セルＣ全体がコンデンサを形成するようにしている。このように、平板状の各電極板３２によりセルＣ全体をコンデンサにしたことで、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を高めることができる。

図３において記載を省略した電気ヒータは、例えば電熱線であって、通電により発熱してセルＣを加熱することで、セルＣ内に堆積したＰＭ５０を燃焼除去する、いわゆる捕集部材再生を実行する。

コントロールユニット４０は、捕集部材再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２とを各機能要素として備えており、配線によって各電極板３２と接続されている。

捕集部材再生制御部４１は、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極板３２の間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータに通電する捕集部材再生制御を実行する。

各電極板３２の間の静電容量Ｃｐは、各電極板３２の間の媒体の誘電率をε、各電極板３２の表面積をＳ、各電極板３２の間の距離をｄとして以下の数式１で表される。

数式１において、各電極板３２の表面積Ｓは一定であり、セルＣに捕集されたＰＭ５０によって誘電率ε及び距離ｄが変化すると、それに伴い静電容量Ｃｐも変化する。各電極板３２の間の静電容量Ｃｐと捕集部材３１のＰＭ５０の堆積量との間には略比例関係が成立することが知られている。

セルＣに捕集されたＰＭ５０の堆積量が上限値を超えると、各電極板３２の間の静電容量ＣｐとＰＭ５０の堆積量との比例関係が崩れ、各電極板３２の間の静電容量Ｃｐの推定精度が低下する。そこで、捕集部材再生制御部４１は、各電極板３２の間の静電容量ＣｐがＰＭ５０の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、電気ヒータに通電する捕集部材再生制御を開始する。この捕集部材再生制御は、静電容量ＣｐがＰＭ５０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。

ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバルＴ_ｎ間（捕集部材再生制御終了から次の捕集部材再生制御開始まで）における静電容量変化量ΔＣｐ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ｍ_{ＰＭＳＵＭ}を推定する。再生インターバルＴ_ｎ間に捕集部材３１で捕集されるＰＭ量ｍ_ＰＭｎは、静電容量変化量ΔＣｐに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。

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Ｔ_ｎ間のＰＭ量ｍ_ＰＭｎ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ｍ_{ＰＭＳＵＭ}をリアルタイムに演算する。

なお、ＰＭ量の推定は、上記の手法に限られず、様々な手法を採用することができる。例えば、予め実験等により静電容量ＣｐとＰＭ量ｍ_ＰＭとの関係を求めてマップを作成しておき、このマップを参照することで総ＰＭ量や瞬時のＰＭ量を推定することができる。

次に、捕集部材３１について説明する。捕集部材３１は、隔壁３１Ａの延在方向（以下、単に「延在方向」という）における一端側端部（図３における右端部）を封止する封止部３１Ｂを有している。なお、隔壁３１Ａと封止部３１Ｂは同一の部材であるが、図面の見やすさを考慮してハッチを異ならせて図示している。

セルＣを囲む隔壁３１Ａのうち各電極板３２側に位置する隔壁３１Ａには、セルＣ内の排気ガスを捕集部材３１の外部に排出する中空部３１Ｃが形成されている。セルＣを囲む隔壁３１Ａのうち各電極板３２側に位置する隔壁３１Ａは、本発明の「電極側隔壁部」に対応する。

中空部３１Ｃは、隔壁３１Ａの内部に電極板３２から離間して形成され（図４Ｂも参照）、延在方向（矢印Ｇ１の方向）において隔壁３１Ａの一端側に開口している。中空部３１Ｃは、隔壁３１Ａの一端側の開口部分から延在方向の他端側まで延びている。この中空部３１Ｃに排気ガスをセルＣから流入させることで、各電極板３２とセルＣに挟まれる隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させやすくすることが可能となる。

また、中空部３１Ｃは、延在方向の他端側において開口していない。これにより、中空部３１Ｃに流入した排気ガスが逆流して他端側から隔壁３１Ａの外部に排出されることを抑制することが可能となる。

中空部３１ＣとセルＣとに挟まれる隔壁３１Ａの厚みＤ１は、封止部３１Ｂの延在方向の厚みＤ２よりも薄くなっている。これにより、たとえ封止部３１Ｂが、排気ガスが僅かに通過し得る材料で形成されているとしても、排気ガスが封止部３１Ｂ側よりも中空部３１Ｃ側に移動しやすくなるので、中空部３１ＣとセルＣとに挟まれる隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させやすくすることが可能となる。

また、図４Ａに示すように、中空部３１ＣとセルＣとに挟まれる隔壁３１Ａの厚みＤ１は、図示における左右方向に隣接するセルＣに挟まれる隔壁３１Ａの厚みＤ３よりも薄くなっている。これにより、排気ガスが、図示における左右方向に隣接するセルＣに移動することなく、中空部３１Ｃに移動しやすくなるので、中空部３１ＣとセルＣとに挟まれる隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させやすくすることが可能となる。

また、中空部３１Ｃの幅は、セルＣの幅と同じになっている。これにより、セルＣの全幅において排気ガスを中空部３１Ｃから排出させることが可能となる。

以上のように構成されたＰＭセンサ１０における作用効果について説明する。
図３に示すように、内側ケース部１１Ａ内に入り込んだ排気ガスは、センサ部３０におけるセルＣ内に矢印Ｇ１の方向で流れ込む。捕集部材３１には、封止部３１Ｂにより延在方向の一端側端部が封止されているので、排気ガスは、セルＣに入り込んでも封止部３１Ｂによりセンサ部３０の下流側に抜けにくい。しかし、本実施の形態では、セルＣの図示における上下に中空部３１Ｃが形成されているので、排気ガスが中空部３１Ｃ側に流入しやすくなる（矢印Ｇ２）。中空部３１Ｃ側に排気ガスが流入すると、図示における上下の隔壁３１ＡにＰＭ５０が捕集される。ＰＭ５０が捕集された排気ガスは、中空部３１Ｃを通過してセンサ部３０の下流側に排出される。ここで、静電容量型のＰＭセンサ１０においては、センサ部３０における静電容量が例えば各電極板３２の間の媒体の誘電率等に応じて変化することを考慮すると、より確実に電極板３２に挟まれる部分の隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させることが望ましい。本実施の形態では、中空部３１Ｃから排気ガスを排出させることで、各電極板３２とセルＣとに挟まれる隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させやすくすることができるので、ＰＭ５０の量を精度良く測定することができる。

ところで、封止部３１Ｂが捕集部材３１の一部であるので、封止部３１Ｂからも排気ガスを排出することが可能である。しかし、本実施の形態では、中空部３１ＣとセルＣに挟まれる隔壁３１Ａの厚みが封止部３１Ｂの厚みよりも薄いので、排気ガスが中空部３１Ｃ側に移動しやすくなる。すなわち、中空部３１Ｃ内にセルＣ内の排気ガスを積極的に流入させることができるので、中空部３１ＣとセルＣに挟まれる隔壁３１ＡにＰＭ５０を捕集させやすくすることができ、ひいてはＰＭ５０の量を精度良く測定することができる。

また、中空部３１Ｃは、開口部分から延在方向の他端側まで延びており、つまり、セルＣの略全長に亘って延びているので、延在方向におけるセルＣのどの部分からも排気ガスを中空部３１Ｃに流入させることができ、延在方向におけるＰＭ５０の堆積量を均一にしやすくすることができる。

また、図４Ａに示すように、中空部３１Ｃの幅がセルＣの幅と同じになっているので、セルＣの全範囲から排気ガスを排出しやすくすることができる。

ところで、中空部３１Ｃが隔壁３１Ａと各電極板３２とで形成される場合、中空部３１Ｃを通過する排気ガスにより、電極板３２が腐食するおそれがある。しかし、図４Ｂに示すように、本実施の形態では、中空部３１Ｃが多孔質性の隔壁３１Ａにより電極板３２から離間して形成されており、つまり、電極板３２が排気ガスの流路に露出しておらず隔壁３１Ａに覆われているので、電極板３２が排気ガスにより腐食することを抑制することができる。

次に、変形例に係るＰＭセンサについて説明する。
図５Ａは、変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図である。図５Ｂは、変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。

図５Ａに示すように、センサ部５０Ａは、複数の捕集部材５１と、複数枚の電極板５２等とを備えている。電極板５２は、上記実施の形態における電極板３２と同様の構成である。

捕集部材５１は、例えば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なす複数のセルを有している。複数のセルは、延在方向の一端側が封止された第１セルＣ１と、延在方向の他端側が封止された第２セルＣ２とを有している。捕集部材５１は、第１セルＣ１と第２セルＣ２とを交互に並べて配置した直方体状に形成されている。この構成では、図５Ｂに示すように、排気ガスが第１セルＣ１を通されるので、中空部は、第１セルＣ１に対応する位置に形成される。

このような構成であっても、中空部から排気ガスを排出することでＰＭを第１セルＣ１上に堆積させることができる。ただし、ＰＭの量の測定における精度を向上させる観点からすれば、上記実施の形態のように、全てのセルＣにおける隔壁の延在方向の一端側を封止する構成が望ましい。換言すれば、上記実施の形態では、全てのセルＣの中空部３１Ｃが何れも延在方向の一端側に開口しており、全てのセルＣの中空部３１Ｃ経由で捕集部材３１の外部に排出させることができるので、隣接する何れかのセルＣを排気専用とする必要がなく、全てのセルＣにＰＭ捕集機能を持たせることができ、ＰＭ捕集効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、セルＣが隔壁３１Ａに複数設けられていたが、本発明はこれに限定されず、複数設けられていなくても良い。

また、上記実施の形態では、中空部３１Ｃの幅がセルＣの幅と同じになっていたが、本発明はこれに限定されず、セルＣの幅よりも大きくても良い。

その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、ＰＭの量の測定の精度を向上させることが可能なセンサとして有用である。

１０ ＰＭセンサ
３１ 捕集部材
３１Ａ 隔壁
３１Ｂ 封止部
３１Ｃ 中空部
３２ 電極板

Claims (6)

1. 排気ガスの流通方向に延在する多孔質性の隔壁により囲まれ、且つ、前記隔壁の延在方向の一端側が封止されている、セルを有し、前記排気ガス中の粒子状物質を前記セルにおいて捕集する捕集部材と、
   前記隔壁の外側に前記セルを挟んで対向配置された複数の電極部材と、
   を備え、
   前記セルを囲む前記隔壁のうち、前記電極部材の少なくとも一方の側に位置する電極側隔壁部は、中空部を有し、前記排気ガスを前記セルの内部から前記中空部の内部に流入させて前記捕集部材の外部に排出する、
   センサ。
2. 前記捕集部材は、それぞれ前記隔壁の外側から前記電極部材により挟まれる複数の前記セルを有し、
   各セルの前記中空部は、前記延在方向の前記一端側に開口する、
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記中空部と前記セルとに挟まれる前記隔壁の厚みは、前記延在方向の一端側において前記セルを封止する封止部の厚みよりも薄い、
   請求項１または請求項２に記載のセンサ。
4. 前記中空部は、前記電極側隔壁部の内部に、前記電極部材から離間して設けられている、
   請求項１〜３の何れか１項に記載のセンサ。
5. 前記中空部は、前記電極側隔壁部の前記延在方向の一端側から他端側まで延びている、
   請求項１〜４の何れか１項に記載のセンサ。
6. 前記中空部の幅は、前記セルの幅以上の大きさである、
   請求項１〜５の何れか１項に記載のセンサ。

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