JP6859971B2 - 粒子状物質検出システム - Google Patents
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Description
複数の電極(2)と、該複数の電極の間に介在し上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)とを備える検出部(21)が、少なくとも一つ形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記検出部に直列に接続されたコンデンサ(3)と、
上記検出部と上記コンデンサとからなる直列体(10)に直流電圧を加える電源(4)と、
上記粒子状物質によって上記複数の電極のうちの少なくともいずれかが導通されたときに、上記電源から上記コンデンサに蓄えられる電荷が増えることによって上昇する上記コンデンサの電圧を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記電圧測定部によって測定される上記コンデンサの電圧の変化を利用して、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システムにある。
本発明の第2の態様は、排ガスに含まれる粒子状物質(8)を検出するための粒子状物質検出システム(1)であって、
複数の電極(2)のうちのいずれかの電極を用いて構成された検出部(21)と、上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)と、上記複数の電極のうちの残りの電極を用いて構成されたコンデンサ(3)とが形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記検出部と上記コンデンサとからなる直列体(10)に直流電圧を加える電源(4)と、
上記粒子状物質によって導通されたいずれかの上記電極間の電荷が失われることに伴う上記コンデンサの電圧の変化を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記電圧測定部によって測定される上記コンデンサの電圧の変化を利用して、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システムにある。
本発明の第3の態様は、排ガスに含まれる粒子状物質(8)を検出するための粒子状物質検出システム(1)であって、
少なくとも3つ以上の電極(2)と、該電極同士の間に介在し上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)とを備える検出部(21)が形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記少なくとも3つ以上の電極における、両端に位置する電極の間に直流電圧を加え、上記少なくとも3つ以上の電極を、電荷を蓄える、直列に接続されたコンデンサとして機能させる電源(4)と、
上記両端に位置する電極を除く残りのいずれかの電極の電圧を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記粒子状物質によって導通されたいずれかの上記電極間の電荷が失われることに伴う電圧の変化を上記電圧測定部が測定することによって、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システムにある。
一対の電極(2)と、該一対の電極の間に介在し上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)とを備える検出部(21)を、少なくとも一つ形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記検出部に直列に接続された抵抗(6)と、
互いに直列に接続された、上記検出部と上記抵抗とからなる直列体(10)に直流電圧を加える電源(4)と、
上記抵抗の電圧降下を測定する電圧測定部(5)とを備え、
上記抵抗は、上記一対の電極が上記粒子状物質によって導通したときに生じる上記電圧降下が、上記電源の直流電圧の1/1000以上となるように、その抵抗値が定められている、粒子状物質検出システムにある。
このようにすると、PMを短時間で検出でき、かつPMの検出精度を高くすることができる。すなわち、上記構成にすると、一対の電極間に、PMによる電流の経路が1本形成され、僅かに電流が流れた場合でも、コンデンサに電荷が蓄えられ、コンデンサの電圧が急に上昇する。そのため、一対の電極がPMによって導通したことを、短時間で検出することができる。また、PMの抵抗率がばらついても、一対の電極間に電流が流れさえすれば、コンデンサの電圧は大きく上昇する。そのため、PMの抵抗率の影響を大きく受けることなく、一対の電極がPMによって導通したことを、高い精度で検出できる。
このようにすると、PMを短時間で検出でき、かつPMの検出精度を高くすることができる。すなわち、上記構成にすると、一対の電極間に、PMの電流経路が1本形成され、僅かに電流が流れたときでも、大きな抵抗を接続しているため、抵抗に大きな電圧降下(=RI)を発生させることができる。そのため、一対の電極がPMによって導通したことを、短時間で検出できる。また、PMの抵抗率がばらついても、一対の電極間に電流が流れさえすれば、抵抗に大きな電圧降下を発生させることができる。そのため、PMの抵抗率の影響を大きく受けることなく、一対の電極がPMによって導通したことを、高い精度で検出できる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
上記粒子状物質検出システムに係る実施形態について、図1〜図6を参照して説明する。本形態の粒子状物質検出システム1(PM検出システム1)は、排ガスg(図5参照)に含まれるPM8を検出するために用いられる。図1に示すごとく、PM検出システム1は、粒子状物質検出センサ20(PMセンサ20)と、コンデンサ3と、電源4と、電圧測定部5とを備える。
コンデンサ3は、検出部21に直列に接続されている。
電圧測定部5は、コンデンサ3の電圧を測定するよう構成されている。
このようにすると、PM8を短時間で検出でき、かつPM8の検出精度を高くすることができる。すなわち、上記構成にすると、一対の電極2間に、PM8による電流経路80が1本形成され、僅かに電流Iが流れた場合でも、コンデンサ3に電荷が蓄えられ、コンデンサ3の電圧が急に上昇する。そのため、一対の電極2がPM8によって導通したことを、短時間で検出することができる。また、PM8の抵抗率がばらついても、一対の電極2間に電流Iが流れさえすれば、コンデンサ3の電圧は大きく上昇する。そのため、PM8の抵抗率の影響を大きく受けることなく、一対の電極2がPM8によって導通したことを、高い精度で検出できる。
これに対して、本形態のように、コンデンサ3の電圧を測定すれば、一対の電極2間にPM8の電流経路80が僅かに形成されただけで、コンデンサ3の電圧が急に上昇するため(図4参照)、一対の電極2間がPM8によって導通したことを短時間で検出できる。したがって、フィルタ14が故障したことを短時間で検出できる。
これに対して、本形態のようにコンデンサ3を用いた場合は、PM8の抵抗率が異なっても、一対の電極2間がPM8によって導通しさえすれば、コンデンサ3の電圧が急に上昇する。そのため、PM8の抵抗率の影響を大きく受けることなく、排ガスg中のPM8の量を正確に測定することができる。
本形態は、直列体10の構成を変更した例である。図7に示すごとく、本形態では、検出部21に直列に、抵抗6を接続してある。この抵抗6の電圧降下を、電圧測定部5によって測定するよう構成してある。抵抗6は、一対の電極2がPM8によって導通したときに生じる電圧降下が、電源4の直流電圧Vの1/1000以上となるように、その抵抗値が定められている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図10に示すごとく、本形態では、PMセンサ20に複数の電極2を、所定間隔をおいて配列するように形成してある。そして、これら複数の電極2を用いて、検出部21とコンデンサ3とを両方とも形成してある。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図13に示すごとく、本形態では、PMセンサ20に複数の電極2を形成してある。そして、これら複数の電極2を用いて、第1検出部21aと、第2検出部21bと、第3検出部21cとの、3個の検出部21を形成してある。また、上記複数の検出部21に直列に、コンデンサ3を接続してある。このコンデンサ3の電圧を、電圧測定部5によって測定している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図15、図16に示すごとく、本形態では、PMセンサ20に1個の検出部21と、2個のコンデンサ3とを形成してある。これら検出部21と2個のコンデンサ3とは、直列に接続されている。個々のコンデンサ3は、PM8が堆積したとき、一対の電極2間がPM8によって導通するよう構成されている。電圧測定部5は、2個のコンデンサ3の電圧を測定する。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成等を変更した例である。図18に示すごとく、本形態ではPMセンサ20に、第1検出部21aと第2検出部21bとの、2個の検出部21を形成してある。個々の検出部21に、それぞれ別のコンデンサ3を接続している。また、2個の検出部21a,21bは、それぞれ別の電源4に接続している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構造を変更した例である。図20に示すごとく、本形態のPMセンサ20は、正電極2pと負電極2nとをそれぞれ複数個、備える。これら正電極2pと負電極2nとを、交互に配置してある。互いに隣り合う正電極2pと負電極2nとによって、検出部21が形成されている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図22に示すごとく、本形態のPMセンサ20は、1本の正電極2pと、1本の負電極2nと、2本の測定電極2ma,2mbとを備える。正電極2pと第1測定電極2maとによって第1検出部21aを形成してある。また、2本の測定電極2ma,2mbによってコンデンサ3を形成してある。さらに、第2測定電極2mbと負電極2nとによって第2検出部21bを形成してある。これら第1検出部21aと、コンデンサ3と、第2検出部21bとは直列に接続されている。コンデンサ3の電圧を、電圧測定部5によって測定している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図23に示すごとく、本形態のPMセンサ20は、正電極2pと負電極2nと測定電極2mとを、それぞれ複数本備える。正電極2pと測定電極2mとによって、検出部21を形成してある。また、負電極2nと測定電極2mとによって、コンデンサ3を形成してある。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図24に示すごとく、本形態ではPMセンサ20に、複数の電極2を、所定間隔をおいて配列するように形成してある。これら複数の電極2によって、検出部21とコンデンサ3とを形成してある。個々の電極2は、PMセンサ20の本体部29の端面S1に形成されている。また、本形態では、コンデンサ3を構成する一対の電極2(2m,2n)のうち、少なくとも一方の電極2(本形態では負電極2n)を、絶縁層23によって被覆してある。この絶縁層23によって、PM8が堆積しても、コンデンサ3を構成する一対の電極2(2m,2n)の間に電流が流れないようにしている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図27に示すごとく、本形態では、PMセンサ20に複数の電極2を形成してある。隣り合う一対の電極2により、電極対24が構成されている。本形態では、第1電極対24aと第2電極対24bとの、2個の電極対24を形成してある。第1電極対24aによって、コンデンサ3が構成されている。また、第2電極対24bによって、検出部21が構成されている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、PMセンサ20の構成を変更した例である。図28に示すごとく、本形態では、PMセンサ20に複数の電極2を形成してある。これにより、複数の電極対24(24a〜24d)を形成してある。また、一部の電極2の長さは短くなっている。これにより、個々の電極対24の静電容量を、互いに異ならせている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7(図5参照)、及び電源4の構成を変更した例である。本形態では、複数の検出部21のうちいずれかが、PM8によって導通した場合でも、残りの検出部21に加わる電圧が一定になるように、制御部7によって制御している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7(図5参照)の制御方法を変更した例である。図31に示すごとく、本形態のPM検出システム1は、コンデンサ3に並列に接続したスイッチ11を備える。また、電源4には電源投入部89が接続している。そして、制御部7によって、これらスイッチ11及び電源投入部89のオンオフ動作を制御している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7の制御方法を変更した例である。図34に示すごとく、本形態のPM検出システム1は、コンデンサ3に並列に接続したスイッチ11と、該スイッチ11のオンオフ動作を制御する制御部7とを備える。また、PMセンサ20は、堆積面22に堆積したPM8を燃焼して除去するヒータ(図示しない)を備える。
このようにすると、PMセンサ20に被毒物質18が僅かに付着しており、電流Iが僅かに流れる場合でも、コンデンサ3の電圧を定期的にリセットできるため、PM8が付着したと誤って判断することを抑制できる。
そのため、PMセンサ20が被毒し、故障していることを検出できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7による制御方法を変更した例である。図41に示すごとく、本形態のPM検出システム1は、実施形態15と同様に、スイッチ11を備える。このスイッチ11に抵抗15を直列に接続し、直列接続体16を構成してある。直列接続体16は、コンデンサ3に並列接続されている。
このようにすると、粗大PM8’が付着した場合に、通常のPM8が堆積したと誤って判断することを抑制できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7の制御方法を変更した例である。図47に示すごとく、本形態では、静電容量が比較的大きいコンデンサ3を用いている。このように静電容量が大きいコンデンサ3を用いると、一対の電極2間にPM8の電流経路80が形成されても、コンデンサ3はすぐに充電されず、電圧Vが徐々に高くなる。また、電流経路80の数が少ない場合は、流れる電流Iが少ないため、コンデンサ3の電圧Vの時間上昇率ΔV/Δtは小さい。電流経路80の数が増えると、電流Iが増加するため、電圧の時間上昇率ΔV/Δtは大きくなる。本形態の制御部7は、コンデンサ3の電圧Vの時間上昇率ΔV/Δtを測定し、その測定値を用いて、一対の電極2間の抵抗R(すなわち、PM8の抵抗)を算出する。
I=dQ/dt≒ΔQ/Δt=CΔV/Δt
=(VB−V)/R
したがって、
R=(VB−V)Δt/(CΔV)
上記式を用いて、抵抗Rを算出することができる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部7の制御方法を変更した例である。本形態では、実施形態17と同様に、静電容量が充分に大きいコンデンサ3(図47参照)を用いている。コンデンサ3の静電容量が大きい場合の、コンデンサ3の電圧の変化を図48に示す。同図に示すごとく、一対の電極2間にPM8の電流経路80が1本形成されると、電流Iが僅かに流れる。本形態ではコンデンサ3の静電容量を大きくしてあるため、電圧Vの時間上昇率ΔV/Δtは小さい。この後、2本目の電流経路80が形成されると、電流Iが増加し、電圧の時間上昇率ΔV/Δtが若干高くなる。さらに、3本目の電流経路80が形成されると、電流Iがさらに増加し、時間上昇率ΔV/Δtがさらに高くなる。
また、1本目の電流経路80が形成されるタイミングはPM8の付着の仕方によってばらつくが、複数本分の電流経路80の形成時間を平均することで、バラツキを抑えることが可能になる。そのため、電流経路80が形成される時間を精度よく検出することができる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本発明の効果を確認するための実験を行った。まず、図49に示すとごく、比較例としてのPM検出システム1を構成した。このPM検出システム1では、検出部21の電流Iを電流センサ9によって測定する。また、このPM検出システム1に用いられるPMセンサ20として、新品のものと、アッシュ17が付着したものとを用意した。図49に示すごとく、アッシュ17が付着したPMセンサ20は、電流経路80が形成されにくいため、電流が流れにくい。
本発明の効果を確認するための、別の実験を行った。まず、新品のPMセンサ20を用意した。さらに、ヒータを長時間発熱させ、電極2を劣化させたPMセンサ20を用意した。
10 直列体
2 電極
20 粒子状物質検出センサ
21 検出部
22 堆積面
3 コンデンサ
4 電源
5 電圧測定部
8 粒子状物質
Claims (14)
- 排ガスに含まれる粒子状物質(8)を検出するための粒子状物質検出システム(1)であって、
複数の電極(2)と、該複数の電極の間に介在し上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)とを備える検出部(21)が、少なくとも一つ形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記検出部に直列に接続されたコンデンサ(3)と、
上記検出部と上記コンデンサとからなる直列体(10)に直流電圧を加える電源(4)と、
上記粒子状物質によって上記複数の電極のうちの少なくともいずれかが導通されたときに、上記電源から上記コンデンサに蓄えられる電荷が増えることによって上昇する上記コンデンサの電圧を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記電圧測定部によって測定される上記コンデンサの電圧の変化を利用して、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システム。 - 排ガスに含まれる粒子状物質(8)を検出するための粒子状物質検出システム(1)であって、
複数の電極(2)のうちのいずれかの電極を用いて構成された検出部(21)と、上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)と、上記複数の電極のうちの残りの電極を用いて構成されたコンデンサ(3)とが形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記検出部と上記コンデンサとからなる直列体(10)に直流電圧を加える電源(4)と、
上記粒子状物質によって導通されたいずれかの上記電極間の電荷が失われることに伴う上記コンデンサの電圧の変化を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記電圧測定部によって測定される上記コンデンサの電圧の変化を利用して、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システム。 - 排ガスに含まれる粒子状物質(8)を検出するための粒子状物質検出システム(1)であって、
少なくとも3つ以上の電極(2)と、該電極同士の間に介在し上記粒子状物質が堆積する堆積面(22)とを備える検出部(21)が形成してある粒子状物質検出センサ(20)と、
上記少なくとも3つ以上の電極における、両端に位置する電極の間に直流電圧を加え、上記少なくとも3つ以上の電極を、電荷を蓄える、直列に接続されたコンデンサとして機能させる電源(4)と、
上記両端に位置する電極を除く残りのいずれかの電極の電圧を測定する電圧測定部(5)と、を備え、
上記粒子状物質によって導通されたいずれかの上記電極間の電荷が失われることに伴う電圧の変化を上記電圧測定部が測定することによって、上記排ガスに上記粒子状物質が含まれることを検出するよう構成されている、粒子状物質検出システム。 - 上記少なくとも3つ以上の電極におけるいずれかの電極は、絶縁層(23)によって被覆される又は上記堆積面を形成する絶縁材料に埋設されることによって、上記粒子状物質によって導通されない、コンデンサ専用の電極を形成している、請求項3に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記少なくとも3つ以上の電極は、互いに隣り合う一対の上記電極からなる、複数個の電極対(24)として形成されており、該複数個の電極対のうち一部の上記電極対は、他の上記電極対よりも上記粒子状物質の堆積量が少なくなる位置に配置されている、請求項3に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記粒子状物質検出センサは、絶縁材料からなる本体部(29)と、該本体部に埋設された上記複数の電極と、上記電源又は上記電圧測定部が接続された複数の接続端子(27)と、上記電極と上記接続端子とを繋ぐ複数の配線(28)とを備え、
上記コンデンサを構成する上記電極は、上記本体部における、上記接続端子が位置する基端側に配置されており、
上記検出部を構成する上記電極は、上記本体部における、上記基端側とは反対側の先端側に配置されている、請求項2に記載の粒子状物質検出システム。 - 上記少なくとも3つ以上の電極は、互いに隣り合う一対の上記電極からなる、複数個の電極対(24)として形成されており、個々の上記電極対は、静電容量が互いに異なるよう構成されている、請求項3に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記コンデンサは、上記粒子状物質検出センサの外部において、上記複数の電極に直列に接続されている、請求項1に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記コンデンサに並列に接続したスイッチ(11)と、該スイッチのオンオフ動作を制御する制御部(7)とをさらに備え、該制御部は、上記スイッチをオンにして、上記電源の直流電圧を上記コンデンサを介さずに上記検出部にのみ印加した後、上記スイッチをオフにして、上記検出部に上記直流電圧による電荷が蓄えられた状態で、上記コンデンサの電圧を測定するよう構成されている、請求項1、2、6又は8のいずれか1項に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記コンデンサに並列に接続したスイッチと、該スイッチのオンオフ動作を制御する制御部とをさらに備え、上記粒子状物質検出センサは、上記堆積面に堆積した上記粒子状物質を燃焼して除去するヒータを有し、上記制御部は、上記ヒータを用いて上記粒子状物質を除去した後に、上記コンデンサの電圧の時間上昇率(ΔV/Δt)を測定し、その測定値が予め定められた閾値(ΔTH)より低い場合は、一定の時間間隔をおいて上記スイッチをオンし、上記コンデンサに蓄えられた電荷を定期的に放電するよう構成されている、請求項1、2、6又は8のいずれか1項に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記制御部は、上記時間上昇率が上記閾値より高い場合は、上記粒子状物質検出センサが故障していると判定する、請求項10に記載の粒子状物質検出システム。
- 抵抗(15)と、該抵抗に直列接続したスイッチとからなり、上記コンデンサに並列接続した直列接続体(16)を備えると共に、上記スイッチの動作制御をする制御部をさらに備え、該制御部は、上記スイッチのオンオフを周期的に切り替え、該スイッチをオンしたときに、上記電圧測定部を用いて上記抵抗の電圧降下を測定し、該電圧降下の時間変化率(ΔIR/Δt)が予め定められた値(ΔIRTH)よりも大きい場合は、粒径が2.5μmよりも大きい上記粒子状物質である粗大PM(8’)が上記堆積面に堆積したと判定する、請求項1、2、6又は8のいずれか1項に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記堆積面に上記粒子状物質が堆積したか否かを判定する制御部をさらに備え、該制御部は、上記コンデンサの電圧の時間上昇率(ΔV/Δt)を測定し、その測定値を用いて上記電極間の抵抗(R)を算出すると共に、算出した抵抗値が所定の閾値(RTH)よりも小さくなった場合に、上記堆積面に予め定められた量の上記粒子状物質が堆積したと判断するよう構成されている、請求項1、2、6又は8のいずれか1項に記載の粒子状物質検出システム。
- 上記堆積面に上記粒子状物質が堆積したか否かを判定する制御部をさらに備え、該制御部は、上記コンデンサの電圧の時間上昇率(ΔV/Δt)を測定し、その測定値を用いて上記電極間の抵抗(R)を算出すると共に、該抵抗の算出値が所定の回数(NTH)以上変化した場合は、上記堆積面に予め定められた量の上記粒子状物質が堆積したと判断するよう構成されている、請求項1、2、6又は8のいずれか1項に記載の粒子状物質検出システム。
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