JP6784050B2 - センサ - Google Patents

Description

本開示は、センサに関し、特にＰＭ（粒子状物質）センサに関する。

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ＰＭセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の電気抵抗型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。

特開２０１２−８３２１０号公報

ＰＭセンサは、微量のＰＭを検出するために、ＰＭセンサ内部にＰＭを堆積させ、堆積したＰＭに起因する電気的特性値の変化を観察することにより、堆積したＰＭの量を推定する。ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭの量が推定された後もＰＭの検出を継続する必要があるので、一般的に、堆積したＰＭは燃焼することにより定期的に除去される。

ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭを定期的に燃焼するために、センサ内部にヒータを設ける必要がある。ヒータを別体として設ける代わりに、堆積したＰＭに起因する電気的特性値の変化を観察するのに使用される測定電極に通電することにより、測定電極をヒータとしても使用することが提案されている。しかしながら、測定電極の制御が複雑になる問題がある。

測定電極とヒータとを別体として設ける場合、ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭをより効率的に燃焼するためには、ヒータを堆積したＰＭのより近くに配置する必要がある。一方、ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭの量をより正確に推定するためには、測定電極を堆積したＰＭのより近くに配置する必要がある。

本開示の目的は、ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭの量を正確に推定するとともに、堆積したＰＭを効率的に燃焼するＰＭセンサを提供することである。

本開示の一態様に係るセンサは、排気中の粒子状物質を捕集するセルを有する捕集部材と、前記捕集部材を挟んで対向配置され、それぞれが電極部材を含む第１の電極層および第２の電極層と、前記捕集部材に堆積した粒子状物質を燃焼する熱を発生する発熱体を含むヒータ層と、前記電極部材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、前記捕集部材および前記ヒータ層は、前記第１の電極層および前記第２の電極層の法線方向に並んで配置され、前記第１の電極層の前記電極部材は、第１面が前記ヒータ層に隣接し、前記第１面の裏面である第２面が前記捕集部材に隣接し、前記第１面から前記第２面にかけて開口した開口部が複数設けられた板状部材である。

本開示によれば、ＰＭセンサ内部に堆積したＰＭの量を正確に推定するとともに、堆積したＰＭを効率的に燃焼するＰＭセンサを提供することができる。

第１の実施形態のＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。 第１の実施形態のＰＭセンサの説明図である。 第１の実施形態のＰＭセンサのセンサ部およびコントロールユニットの説明図である。 第１の実施形態のＰＭセンサのセンサ部の分解斜視図である。 第１の電極層の一例の概略上面図である。 第２の電極層の一例の概略上面図である。 ヒータ層の一例の概略上面図である。 ヒータ層の他の一例の概略上面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の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内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０およびＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０のいずれかに設けられる。

図２は、第１の実施形態のＰＭセンサ１０の説明図である。図３Ａは、第１の実施形態のＰＭセンサ１０のセンサ部６０Ａおよびコントロールユニット４０の説明図である。図３Ｂは、第１の実施形態のＰＭセンサ１０のセンサ部６０Ａの分解斜視図である。

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内に収容されたセンサ部６０Ａと、センサ部６０Ａと電気的に接続されたコントロールユニット４０とを備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。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ケース部材１１の基端側とする。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とを備えた二重管構造を有する。

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、その軸方向長さが外側ケース部１１Ｂよりも長くなるよう形成されている。また、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内に導出する導出口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の先端部とにより区画された円環状の導入口１２が形成されている。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（Ｓ_１２＜Ｓ_１３）。

すなわち、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。さらに、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６０Ａ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ようになっている。ＰＭセンサ１０においては、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近傍に配置した。これにより、捕集部材として機能するフィルタ層６１を通過する排気流量を効果的に高めることが可能になる。

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２１と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１およびナット部２２には、第１の導電線６２Ａ、第２の導電線６３Ａ、およびヒータ層電力供給線６４Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

センサ部６０Ａは、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１の電極層６２および第２の電極層６３と、複数枚のヒータ層６４を備えている。

フィルタ層６１は、排気中のＰＭを捕集するセルを有する捕集部材として機能する。フィルタ層６１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、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１，Ｃ２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，Ｃ２の隔壁（図３Ｂでは隔壁は図を見やすくするため省略されている。）表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０Ａの長さ方向（図３Ａ中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０Ａの幅方向（図３Ａ中の矢印Ｗ）とする。

第１の電極層６２および第２の電極層６３は、その長さ方向Ｌおよび幅方向Ｗの外形寸法がフィルタ層６１と略同一に形成されている。

第１の電極層６２と第２の電極層６３とを対向配置し、第１の電極層６２と第２の電極層６３間にフィルタ層６１を挟持させたことでコンデンサを形成するようになっている。十分な表面積を有する第１の電極層６２と第２の電極層６３によりコンデンサを形成することで、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の絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期の静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

ヒータ層６４は、発熱体６４Ｂを備える。発熱体６４Ｂは、ヒータ層電力供給線６４Ａを介して電力の供給を受け発熱することにより、フィルタ層６１によって捕集され、セルＣ１，Ｃ２に堆積したＰＭを燃焼除去する。一例において、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、第１の電極層６２およびヒータ層６４からなる層と、第２の電極層６３とが、フィルタ層６１を挟んで交互に積層される。この場合、ヒータ層６４は、第１の電極層６２の下面または上面に隣接させて配置される。

一例として、センサ部６０Ａは次のように形成される。まず、焼成する前の薄いセラミックの板に、発熱体６４Ｂのパターンを印刷する。次に、第１の電極部材６２Ｂのパターンを印刷した焼成する前の薄いセラミックの板を、発熱体６４Ｂのパターンを印刷したセラミックの板に重ね、その上に多孔質のフィルタ層６１を載せる。さらに、第２の電極部材６３Ｂのパターンを印刷した焼成する前の薄いセラミックの板を、その上に重ねる。これらの手順を繰り返して形成された構造物を焼成することにより、センサ部６０Ａを形成する。

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とを備える。フィルタ再生制御部４１は、ヒータ層電力供給線６４Ａを介してヒータ層６４の発熱体６４Ｂに接続される。

フィルタ再生制御部４１は、静電容量検出回路（図示せず）によって検出される第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部材６３Ｂ間の静電容量に応じて、ヒータ層電力供給線６４Ａを介してヒータ層６４の発熱体６４Ｂに電力を供給する。こうして、フィルタ再生制御部４１は、フィルタ層６１のフィルタ再生を制御する。

ＰＭ量推定演算部４２は、第１の導電線６２Ａを介して第１の電極層６２に接続される。同様に、ＰＭ量推定演算部４２は、第２の導電線６３Ａを介して第２の電極層６３に接続される。

ＰＭ量推定演算部４２は、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバルにおける静電容量の変化量に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。ここで、ＰＭ量推定演算部４２は、複数対の電極間の電気的特性値に基づいてＰＭ量を推定する推定する推定部として機能する。

以下に、総ＰＭ量の推定方法の一例について具体的に説明する。電極層間の静電容量Ｃｐは、電極層間の媒体の誘電率をε、電極層の表面積をＳ、電極層の間の距離をｄとして以下の数式１で表される。

数式１において、電極層の表面積Ｓは一定であり、セルＣ１，Ｃ２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、それに伴い静電容量Ｃｐも変化する。電極層間の静電容量Ｃｐとフィルタ層６１のＰＭ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Ｃ１，Ｃ２に捕集されたＰＭの堆積量が上限値を超えると、電極層間の静電容量ＣｐとＰＭ堆積量との比例関係が崩れ、電極層間の静電容量Ｃｐの推定精度が低下する。そこで、フィルタ再生制御部４１は、電極層間の静電容量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、ヒータ層６４に通電するフィルタ再生制御を開始する。このフィルタ再生制御は、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。

ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバルＴ_ｎ間（フィルタ再生制御終了から次のフィルタ再生制御開始まで）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間にフィルタ層６１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量を推定することもできる。

以下、第１の電極層６２、第２の電極層６３、およびヒータ層６４の構成について、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。いずれの構成においても、例えば、発熱体６４Ｂは７００度以上の高温耐性を有するセラミックス等の絶縁材料によって取り囲まれる。また、第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部材６３Ｂは、必要に応じて、同様の絶縁材料によって取り囲まれる。

図４Ａは、第１の電極層６２の一例の概略上面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、第１の電極層６２は、ヒータ層６４とフィルタ層６１とに隣接して配置される。したがって、第１の電極層６２の電極部材６２Ｂは、ヒータ層６４とフィルタ層６１との間の一部を除いて配置される。例えば、第１の電極層６２は、複数の孔（例えば貫通孔）を有する板状部材からなる電極部材６２Ｂを備える。当該孔は、板状部材に均等に配置される。

センサ部６０Ａの焼成前の構造体の焼成時に構造体全体に圧力をかけるので、セラミックの焼成前に電極部材６２Ｂに設けた複数の孔は、セラミックでふさがれる。ここで、電極部材６２Ｂの材質は、セラミックと比較して大きい熱容量を有する。したがって、ヒータ層６４に隣接して配置される第１の電極層６２に複数の孔を設けることにより、第１の電極層６２の熱容量を低減することができる。これにより、ヒータ層６４から発生する熱を、第１の電極層６２を介して反対側にあるフィルタ層６１までより短い時間で伝導することができる。したがって、フィルタ層６１に堆積したＰＭをより短い時間で燃焼することができ、ＰＭの燃焼に必要な発熱体６４Ｂに供給される電力を低減することができる。さらに、当該フィルタ層６１を挟んで、当該第1の電極層６２の反対側にある第２の電極層６３と当該フィルタ層６１との間に他のヒータ層６４を配置する必要がなくなる。さらに、当該他のヒータ層６４を配置する必要がなくなることにより、第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部材６３Ｂの間の静電容量をより正確に測定することができ、当該フィルタ層６１に堆積したＰＭ量をより正確に推定することができる。

図４Ｂは、第２の電極層６３の一例の概略上面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、第２の電極層６３は、その両面がフィルタ層６１に隣接して配置される。図４Ｂに示されるように、第２の電極層６３は、例えば板状部材からなる第２の電極部材６３Ｂを備える。第２の電極層６３はヒータ層６４に隣接しないので、熱を伝導するための孔を設ける必要はない。第２の電極部材６３Ｂは、平板状であるのが望ましいが、第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部材６３Ｂの間の静電容量を十分確保できる限りにおいて、第２の電極部材６３Ｂの形状は特に限定されない。例えば、第２の電極部材６３Ｂが孔を有していても構わない。

第２の電極部材６３Ｂが板状部材である場合、複数の孔を設けることによる第１の電極部材６２Ｂの有効表面積の減少率と比較して、第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部材６３Ｂの間の静電容量の減少率は小さくなる。このことは、実験で確認されている。さらに、第１の電極部材６２Ｂおよびフィルタ層６１の間の距離をより小さくすると、第１の電極部材６２Ｂに複数の孔を設けることによる当該静電容量の減少率はより小さくなることも、実験で確認されている。当該静電容量の減少率をより小さくすると、第１の電極部材６２Ｂおよび第２の電極部６３Ｂの間の静電容量をより正確に測定することができる。第１の電極部材６２Ｂに設ける複数の孔の大きさは、フィルタ層６１に堆積したＰＭの燃焼速度と当該静電容量とのバランスを考慮して決定する。

図５Ａは、ヒータ層６４の一例の概略上面図であり、図５Ｂは、ヒータ層６４の他の一例の概略上面図である。例えば、ヒータ層６４の発熱体６４Ｂは、ヒータ層６４に埋め込まれた線状の発熱部材である。ヒータ層６４は、発生した熱をヒータ層６４の両面に伝導し、ヒータ層６４の上方および下方にあるフィルタ層６１に堆積したＰＭを燃焼する。これにより、ヒータ層６４をフィルタ層６１毎に設ける必要がなくなる。

図５Ａにおいては、発熱体６４Ｂはメアンダ状に配している。図５Ｂにおいては、発熱体６４Ｂは柵状に配してある。図４Ａと図５Ａおよび図５Ｂとに示されるように、ヒータ層６４を第１の電極層６２と重ね合わせた時に、第１の電極層６２の複数の孔に対応する箇所を発熱体６４Ｂが横断するように、ヒータ層６４に発熱体６４Ｂが設けられている。こうすると、発熱体６４Ｂから発生した熱が、第１の電極層６２を挟んで反対側のフィルタ層６１に、より早く到達することができる。

（他の実施形態）
第１の実施形態においては、第１の電極層６２は、複数の孔を有する板状部材である。これに代えて、第１の電極層６２は、網目状の電極部材であってもよい。

本開示に係るＰＭセンサは、ディーゼルエンジンを搭載した車両において使用するのに好適である。

１０ ＰＭセンサ
１１ ケース部材
１１Ａ 内側ケース部
１１Ｂ 外側ケース部
１２ 導入口
１３ 導出口
１４ 通過口
１５ 流路
２０ 台座部
２１ 雄ネジ部
２２ ナット部
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
６０Ａ センサ部
６１ フィルタ層
６２ 第１の電極層
６２Ａ 第１の導電線
６２Ｂ 第１の電極部材
６３ 第２の電極層
６３Ａ 第２の導電線
６３Ｂ 第２の電極部材
６４ ヒータ層
６４Ａ ヒータ層電力供給線
６４Ｂ 発熱体

Claims (1)

1. 排気中の粒子状物質を捕集するセルを有する捕集部材と、
   前記捕集部材を挟んで対向配置され、それぞれが電極部材を含む第１の電極層および第２の電極層と、
   前記捕集部材に堆積した粒子状物質を燃焼する熱を発生する発熱体を含むヒータ層と、
   前記電極部材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、
   前記捕集部材および前記ヒータ層は、前記第１の電極層および前記第２の電極層の法線方向に並んで配置され、
   前記第１の電極層の前記電極部材は、第１面が前記ヒータ層に隣接し、前記第１面の裏面である第２面が前記捕集部材に隣接し、前記第１面から前記第２面にかけて開口した開口部が複数設けられた板状部材である、
   センサ。

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