WO2017069232A1

WO2017069232A1 - 粒子状物質検出装置

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Publication number: WO2017069232A1
Application number: PCT/JP2016/081241
Authority: WO
Inventors: 田村　昌之; 貴司荒木; 真宏山本; 豪宮川; 学吉留; 祐人勝野; 坂輪　年洋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-04-27
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Abstract

内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質を付着させる素子部４１と、素子部４１を加熱するヒータ４４と、素子部４１の電気的特性に基づいて粒子状物質の量を検出する検出部３１，３２と、ヒータ４４の動作を制御する制御部３１，３３と、を備える粒子状物質検出装置２０であって、制御部３１，３３は、素子部４１に粒子状物質を付着させる期間を除く所定期間において、素子部４１の温度が排気の温度よりも高く素子部４１が熱劣化する所定温度よりも低くなるように予め設定された所定制御量で、ヒータ４４を動作させる。

Description

粒子状物質検出装置

　本発明は、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質を検出する装置に関する。

　従来、粒子状物質センサには、排気中の粒子状物質（Particulate　Matter、以下「ＰＭ」という）を検出した後に、粒子状物質センサの素子部に堆積したＰＭを燃焼させて除去するものがある（特許文献１参照）。この時、粒子状物質センサの素子部はＰＭを燃焼させる所定の温度域に制御されている。特許文献１に記載の粒子状物質センサは、ＰＭを燃焼させて除去してから、内燃機関が停止するまでの間、素子部を上記所定の温度域に維持している。したがって、ＰＭを燃焼させて除去した後に、素子部にＰＭが堆積することを抑制することができる。このため、粒子状物質センサは、次回の内燃機関の始動時に、ＰＭの燃焼を行うことなくＰＭの検出を開始することができる。

国際公開第２０１２／１２４０５４号

　しかしながら、特許文献１に記載の粒子状物質センサは、ＰＭの検出後にＰＭを燃焼させる所定の温度域に維持する。このため、粒子状物質センサの素子部に加わる熱ストレスが増加し、粒子状物質センサの耐久性が低下するおそれがある。

　また、粒子状物質センサの素子部に被毒物質が堆積することにより、粒子状物質センサの機能が低下するという問題がある。

　本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、粒子状物質検出装置の素子部に加わる熱ストレスの抑制と、素子部への被毒物質の堆積抑制とを両立することのできる粒子状物質検出装置を提供することにある。

　以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

　本発明は、素子部と、ヒータと、検出部と、制御部と、を備える粒子状物質検出装置である。上記素子部は、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質を付着させる。上記ヒータは前記素子部を加熱する。上記検出部は前記素子部の電気的特性に基づいて前記粒子状物質の量を検出する。上記制御部は前記ヒータの動作を制御する。前記制御部は、所定期間において、予め設定された所定制御量で、前記ヒータを動作させることを特徴とする。上記所定期間は前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く。上記所定制御量は、前記素子部の温度が前記排気の温度よりも高く前記素子部が熱劣化する所定温度よりも低くなるように予め設定されている。

　上記構成によれば、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）が、素子部に付着させられる。ＰＭはある程度の導電性を有しているため、素子部にＰＭが付着すると素子部の電気的特性が変化する。そこで、検出部により、素子部の電気的特性に基づいて、粒子状物質の量が検出される。

　そして、制御部により、上記所定期間において、予め設定された所定制御量で、素子部を加熱するヒータが動作させられる。ヒータが動作させられるのは、素子部に粒子状物質を付着させる期間を除く所定期間であるため、素子部に粒子状物質を付着させることに支障を来さない。

　ここで、上記所定制御量は、素子部が熱劣化する所定温度よりも素子部の温度が低くなるように予め設定されている。このため、所定制御量でヒータを動作させても、素子部に加わる熱ストレスを抑制することができる。さらに、上記所定制御量は、排気の温度よりも素子部の温度が高くなるように予め設定されている。温度勾配のある場に微小な粒子が存在する場合、粒子は低温側に向かう熱泳動力を受ける。このため、素子部から離れる向きに被毒物質やＰＭに熱泳動力を作用させることができ、素子部への被毒物質の堆積を抑制することができる。しかも、ヒータは予め設定された所定制御量で動作させられるため、素子部の温度を検出して制御量を調節する必要がない。

内燃機関システムの概略を示す模式図。ＰＭ検出装置の回路構成を示す模式図。ＰＭセンサの素子部及びヒータを示す分解斜視図。素子温及び排気温の変化を示すタイムチャート。

　以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、車両に搭載される内燃機関システムとして具体化している。

　＜実施形態の装置構成＞
　図１を参照すると、内燃機関システム１０においては、ディーゼル機関である内燃機関１１が設けられている。内燃機関１１には、吸気通路１２と排気通路１３とが接続されている。排気通路１３には、排気浄化装置１４が装着されている。排気浄化装置１４は、内燃機関１１から排出された排気から有害成分（窒素酸化物、燃料の未燃あるいは不完全燃焼によって生じたＨＣやＣＯ等の炭素化合物、ＰＭ等）を除去するように構成されている。特に、本実施形態においては、排気浄化装置１４には、ＰＭ捕集フィルタ１５（フィルタに相当）が設けられている。かかる排気浄化装置１４の構成については周知であるので、本明細書においては説明を省略する。

　また、内燃機関システム１０には、「粒子状物質検出装置」としてのＰＭ検出装置２０が設けられている。このＰＭ検出装置２０は、ＥＣＵ（Electric　Control　Unit）３０及びＰＭセンサ４０を備えている。ＥＣＵ３０は、内燃機関１１及びその補機類の動作を制御するとともに、ＰＭ検出装置２０としての動作を制御するように構成されている。

　図２を参照すると、ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータ３１と、検出部制御回路３２と、ヒータ制御回路３３と、を備えている。マイクロコンピュータ３１は、図示しないＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、不揮発性メモリ等を備えている。

　検出部制御回路３２は、ＰＭセンサ４０に設けられた素子部４１（一対の検出電極４２，４３を含む）に接続されている。また、検出部制御回路３２は、マイクロコンピュータ３１にも接続されている。この検出部制御回路３２は、検出電極４２，４３間に印加される電圧を出力する電源回路（図示略）と、素子部４１の電気的特性を検出する検出回路（図示略）とを備えている。検出部制御回路３２は、電源回路により検出電極４２，４３間に電圧を印加させた状態で、検出回路によりＰＭの付着状態に応じた素子部４１の電気的特性を検出させる。検出回路は、検出した電気的特性をマイクロコンピュータ３１に入力するようになっている。電気的特性としては、検出電極４２，４３間に流れる電流や、検出電極４２，４３間の抵抗等を採用することができる。マイクロコンピュータ３１は、検出された電気的特性に基づいて、素子部４１に付着したＰＭの量、ひいては内燃機関１１の排気中に含まれるＰＭの量を算出する。なお、検出部制御回路３２及びマイクロコンピュータ３１により、検出部が構成されている。

　ヒータ制御回路３３は、ＰＭセンサ４０に設けられたヒータ４４（電熱線４４ａを含む）に接続されている。また、ヒータ制御回路３３は、マイクロコンピュータ３１にも接続されている。このヒータ制御回路３３は、電源回路（図示略）と駆動回路（図示略）とを備えている。電源回路は、電熱線４４ａに印加される電圧を出力する。駆動回路は、この電源回路の電圧が電熱線４４ａに出力される状態を変更する。駆動回路は、所定周期のうち電熱線４４ａに通電する比率であるデューティ比を変更する（パルス幅変調制御）。マイクロコンピュータ３１は、駆動回路に指令するデューティ比により、ヒータ４４の動作を制御する。なお、ヒータ制御回路３３及びマイクロコンピュータ３１により、制御部が構成されている。

　図２及び図３を参照しつつ、ＰＭセンサ４０の具体的な構成について説明する。ＰＭセンサ４０は、上述したように素子部４１及びヒータ４４を備えている。

　素子部４１は、排気中に暴露されることで当該排気中に含まれるＰＭが付着するように、排気通路１３に装着されている。素子部４１は、絶縁基板４５と、一対の検出電極４２，４３とを備えている。検出電極４２，４３は、絶縁基板４５の表面に、例えば白金により形成されている。白金は、高い耐熱性を有するが、高温の酸素雰囲気下では酸化及び蒸発減少することが知られている。検出電極４２，４３を白金電極で構成したサンプルについて、大気中での高温負荷試験を７２０時間実施した。結果、６５０℃（所定温度に相当）以上で電極の蒸発減少が確認され、６００℃では確認されなかった。絶縁基板４５は、セラミックス等により形成されている。

　ヒータ４４は、通電により発熱して素子部４１を加熱することで、素子部４１に付着したＰＭを燃焼させて除去するように設けられている。ヒータ４４は、絶縁基板４６と、電熱線４４ａとを備えている。電熱線４４ａは、絶縁基板４６の表面に、例えば白金により形成されている。絶縁基板４６は、セラミックス等により形成されている。

　そして、絶縁基板４５と、絶縁基板４６とが、素子部４１とヒータ４４とが互いに向き合わないように積層（接合）されることで、ＰＭセンサ４０が形成されている。絶縁基板４５には素子部４１が形成されている。絶縁基板４６には、ヒータ４４が形成されている。なお、かかるＰＭセンサ４０の構成については周知であるので、本明細書においてはこれ以上の説明を省略する。

　ところで、素子部４１に被毒物質が堆積すると、ＰＭセンサ４０の機能が低下する。被毒物質としては、排気通路１３中の酸化鉄や、素子部４１のＰＭを燃焼させた後に残留する灰分（以下「アッシュ」という）がある。アッシュは、硫酸カルシウムや硫酸マグネシウム等の金属塩（絶縁性物質）を主たる成分とするものである。かかる成分は、内燃機関１１の潤滑油等に含まれるカルシウム等の金属元素、燃料に含まれる硫黄等に由来するものである。そして、被毒物質の堆積量が増加すると、素子部４１の電気抵抗が上昇したり、素子部４１にＰＭが付着しにくくなったりする。

　そこで、本実施形態では、ＥＣＵ３０は、素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間を除く所定期間において、素子部４１をヒータ４４により加熱させる。これは、素子部４１から被毒物質やＰＭを遠ざける熱泳動力が作用するようにするためである。熱泳動とは、温度勾配のある場に微小な粒子が存在する場合に、粒子が低温側に向かう現象である。すなわち、素子部４１の温度が排気の温度よりも高くなれば、被毒物質やＰＭに、素子部４１から遠ざかる方向の熱泳動力が作用する。ただし、素子部４１の温度が高くなり過ぎると、上述したように素子部４１の検出電極４２，４３が、酸化したり蒸発減少したりするおそれがある。

　この点、本実施形態では、ＥＣＵ３０は、素子部４１にＰＭを付着させる期間を除く所定期間において、ヒータ４４を動作させた。この時、所定制御量は素子部４１の温度が排気の温度よりも高く素子部４１が熱劣化する所定温度（６５０℃）よりも低くなるように予め設定されている。具体的には、マイクロコンピュータ３１において、ヒータ制御回路３３の駆動回路に指令するデューティ比Ｄを、予め設定されたデューティ比Ｄ２（所定デューティ比）とする。ヒータ制御回路３３の駆動回路は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４の電熱線４４ａに通電する。このデューティ比Ｄ２は、内燃機関１１を搭載した車両毎の適合により決定されている。

　デューティ比Ｄ２として採用可能な下限値は、素子部４１の温度が最も下がり易い内燃機関１１の運転状態であっても、素子部４１の温度が排気の温度よりも高くなるように決定されている。素子部４１の温度が最も下がり易い内燃機関１１の運転状態として、低温の排気が高流速で流れる運転状態を想定している。

　デューティ比Ｄ２として採用可能な上限値は、素子部４１の温度が最も上がり易い内燃機関１１の運転状態であっても、素子部４１の検出電極４２，４３の温度が熱劣化の生じる６５０℃（所定温度）よりも低くなるように決定されている。素子部４１の温度が最も上がり易い内燃機関１１の運転状態として、高温の排気が高流速で流れる運転状態を想定している。そして、デューティ比Ｄ２は、上記下限値と上記上限値との間の固定値として設定されている。予め設定されたデューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる場合、素子部４１の温度は排気の温度に応じて変化する。ここで、デューティ比Ｄ２は、素子部４１の温度と排気の温度との差が１００℃よりも小さくなるように予め設定されている。

　また、排気の温度が一時的に急上昇する場合や、素子部４１が急冷される場合は、素子部４１の温度が排気の温度よりも一時的に低くなることが起こり得る。この場合、素子部４１から離れる向きに、被毒物質やＰＭに熱泳動力を作用させることができなくなる。しかしながら、このような状態を完全に防ごうとすると、デューティ比Ｄ２を過剰に高く設定せざるを得ず、素子部４１の温度が６５０℃よりも高くなる可能性が高くなる。この点、デューティ比Ｄ２は、所定期間において、８０％を超える期間で素子部４１の温度が排気の温度よりも高くなるように予め設定されている。この所定期間は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる期間である。内燃機関１１を最高回転速度域で定常運転させた。そして、ヒータ４４を停止させることで排気の温度が素子部４１の温度よりも高くなる期間を設けて、車両の実走行の３０万ｋｍに相当する条件で試験を行った。その結果、この所定期間に対して、排気の温度が素子部４１の温度よりも高くなる期間が、８０％以上の場合はＰＭセンサ４０の感度低下は生じず、７５％，７０％，６５％の場合は、それぞれ１５％，２１％，３０％の感度低下が生じた。

　さらに、内燃機関１１の排気通路１３において素子部４１よりも上流には、ＰＭ捕集フィルタ１５が設けられている。ＰＭ捕集フィルタ１５により捕集されたＰＭを燃焼させている期間は、高温の排気が素子部４１へ流れて素子部４１の温度が急上昇し易い。また、内燃機関１１の急加速期間においても、高温の排気が素子部４１へ流れて素子部４１の温度が急上昇し易い。このような場合にも、素子部４１の温度を排気の温度よりも高くしようとすると、デューティ比Ｄ２を過剰に高く設定せざるを得ない。そうした場合、素子部４１の温度が６５０℃よりも高くなる可能性が高くなる。この点、デューティ比Ｄ２は、ＰＭ捕集フィルタ１５により捕集されたＰＭを燃焼させている期間、又は内燃機関１１の急加速期間において、排気の温度が素子部４１の温度よりも高くなり得るように予め設定されている。

　以上により、本実施形態では、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる期間（所定期間）に対して、８０％の期間で排気の温度が素子部４１の温度よりも高くなるように、デューティ比Ｄ２を予め設定している。換言すれば、上記所定期間に対して、１０％の期間で排気の温度が素子部４１の温度よりも低くなるように、デューティ比Ｄ２を予め設定している。このとき、素子部４１の温度は、排気の温度よりも１００℃以上高くならず、最高で６００℃となっている。

　また、本実施形態では、内燃機関１１の運転開始から運転終了までに、ＰＭ検出装置２０により、ＰＭの量の検出を１回行う。そこで、ヒータ４４によりデューティ比Ｄ２で素子部４１を加熱する所定期間を、ＰＭの量を検出した後の期間に含ませている。具体的には、所定期間として、ＰＭの量の検出終了から内燃機関１１の運転停止までの期間を設定している。

　図４は、ＰＭ検出装置２０によるＰＭ量検出において、素子部４１の温度及び排気の温度が変化する態様を示すタイムチャートである。

　時刻ｔ１において、ＥＣＵ３０は、ＰＭ量の検出に先立って、素子部４１に付着しているＰＭを燃焼させる制御を開始する。具体的には、マイクロコンピュータ３１において、ヒータ制御回路３３の駆動回路に指令するデューティ比Ｄを、上記デューティ比Ｄ２よりも高い予め設定されたデューティ比Ｄ１とする。ヒータ制御回路３３の駆動回路は、デューティ比Ｄ１でヒータ４４の電熱線４４ａに通電する。このデューティ比Ｄ１は、ＰＭを燃焼させることの可能な温度（例えば６００℃）まで素子部４１の温度を上昇させるデューティ比であり、内燃機関１１を搭載した車両毎の適合により決定されている。これにより、実線で示すように、素子部４１の温度が略６００℃まで上昇する。破線で示すように、排気の温度は、内燃機関１１の運転状態に応じて変動する。このため、素子部４１の温度は、排気の温度に応じて６００℃付近で変動する。時刻ｔ１～ｔ２は、素子部４１に付着したＰＭを燃焼させる燃焼期間（ＰＭセンサ再生モード）である。

　時刻ｔ２において、ＥＣＵ３０は、素子部４１に付着しているＰＭを燃焼させる制御を終了する。具体的には、マイクロコンピュータ３１は、ヒータ制御回路３３の駆動回路に指令するデューティ比Ｄを０％とする。これにより、素子部４１の温度が低下する。時刻ｔ２～ｔ３は、素子部４１を冷却する冷却期間（ＰＭセンサ冷却モード）である。

　時刻ｔ３において、ＥＣＵ３０は、素子部４１にＰＭを付着させる制御を開始する。このとき、検出部制御回路３２は、電源回路により検出電極４２，４３間に電圧を印加させて、検出電極４２，４３の近傍を通過するＰＭを帯電させてもよい（静電捕集）。ＰＭが帯電することにより、素子部４１へのＰＭの付着が促進される。排気の温度が内燃機関１１の運転状態に応じて変動し、それに伴って素子部４１の温度が排気の温度よりもやや低い温度で変動する。時刻ｔ３～ｔ４は、素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間（ＰＭ捕集モード）である。

　時刻ｔ４において、ＥＣＵ３０は、素子部４１に付着したＰＭの量を検出する。具体的には、検出部制御回路３２は、電源回路により検出電極４２，４３間に電圧を印加させた状態で、検出回路により検出電極４２，４３間に流れる電流値を検出させる。検出回路は、検出した電流値をマイクロコンピュータ３１に入力する。マイクロコンピュータ３１は、入力された電流値に基づいて、素子部４１に付着したＰＭの量を算出する。例えば、マイクロコンピュータ３１は、ＰＭの捕集期間（時刻ｔ３～ｔ４）における上記電流値とＰＭの量との関係を規定するマップを備えている。このマップは、予め実験等に基づいて設定しておくことができる。そして、マイクロコンピュータ３１は、マップを参照して、入力された電流値に対応するＰＭの量を算出し、ひいては内燃機関１１の排気中に含まれるＰＭの量を算出する。

　時刻ｔ４以後、ＥＣＵ３０は、素子部４１に被毒物質やＰＭが付着することを抑制する制御を実行する。具体的には、マイクロコンピュータ３１において、ヒータ制御回路３３の駆動回路に指令するデューティ比Ｄを、上記デューティ比Ｄ２とする。ヒータ制御回路３３の駆動回路は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４の電熱線４４ａに通電する。これにより、実線で示す素子部４１の温度は、破線で示す排気の温度よりもやや高い状態に維持される。排気の温度は、内燃機関１１の運転状態に応じて変動する。このため、素子部４１の温度は、排気の温度に応じて排気の温度よりもやや高い温度で変動する。時刻ｔ４以後は、素子部４１に被毒物質やＰＭが付着することを抑制する抑制期間（付着抑制モード）である。

　以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。
・マイクロコンピュータ３１及びヒータ制御回路３３（ＥＣＵ３０）により、素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間（時刻ｔ３～ｔ４）を除く所定期間において、予め設定されたデューティ比Ｄ２（所定制御量）でヒータ４４が動作させられる。ヒータ４４が動作させられるのは、素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間を除く所定期間であるため、素子部４１にＰＭを付着させることに支障を来さない。

　・上記デューティ比Ｄ２は、素子部４１が熱劣化する６５０℃（所定温度）よりも素子部４１の温度が低くなるように予め設定されている。このため、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させても、素子部４１に加わる熱ストレスを抑制することができる。さらに、上記デューティ比Ｄ２は、上記所定期間に対して、１０％の期間で排気の温度よりも素子部４１の温度が高くなるように予め設定されている。温度勾配のある場に微小な粒子が存在する場合、粒子は低温側に向かう熱泳動力を受ける。このため、素子部４１から離れる向きに被毒物質（アッシュ、酸化鉄等）やＰＭに熱泳動力を作用させることができ、素子部４１への被毒物質の堆積を抑制することができる。しかも、ヒータ４４は予め設定されたデューティ比Ｄ２で動作させられるため、素子部４１の温度を検出して制御量を調節する必要がない。

　・デューティ比Ｄ２は、素子部４１の温度と排気の温度との差が１００℃よりも小さくなるように予め設定されている。一般に、ディーゼル機関の排気の温度は、最高５００℃まで上昇する。したがって、排気の温度が変動したとしても、素子部４１の温度が６００℃よりも高くなることを抑制することができる。

　・デューティ比Ｄ２は、上記所定期間において、８０％を超える期間で素子部４１の温度が排気の温度よりも高くなるように予め設定されている。この所定期間は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる期間である。したがって、素子部４１に加わる熱ストレスの抑制と、素子部４１への被毒物質の堆積抑制とを、適度に均衡させることができる。

　・デューティ比Ｄ２は、ＰＭ捕集フィルタ１５により捕集されたＰＭを燃焼させている期間、又は内燃機関１１の急加速期間において、排気の温度が素子部４１の温度よりも高くなり得るように予め設定されている。したがって、このような場合は、例外的に素子部４１の温度が排気の温度よりも一時的に低くなることを許容することができる。また、デューティ比Ｄ２が過剰に高く設定されないようにすることができる。

　・デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる所定期間は、マイクロコンピュータ３１及び検出部制御回路３２（ＥＣＵ３０）によりＰＭの量を検出した後の期間に含まれている。このため、ＰＭの量を検出するまでは、素子部４１にＰＭを付着させることに支障を来さないようにすることができる。さらに、ＰＭの量を検出した後は、素子部４１への被毒物質の堆積を抑制することができる。特に、所定期間として、ＰＭの量の検出終了から内燃機関１１の運転停止までの期間を設定しているため、素子部４１への被毒物質の付着量を最少にすることができる。

　・デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させることにより、素子部４１の温度を排気の温度よりも高くしている。このとき、素子部４１の温度は排気の温度に応じて変化するため、排気の温度が低い場合に素子部４１の温度を低くすることができる。したがって、素子部４１の温度を排気の温度よりも高い一定温度に維持する構成と比較して、素子部４１が必要以上に加熱されることを抑制することができ、素子部４１に加わる熱ストレスを抑制することができる。

　なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

　・内燃機関１１の運転開始から運転終了までに、ＰＭの量の検出を複数回行う場合は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる所定期間が、各回においてＰＭの量を検出した後の期間に含まれるようにしてもよい。

　・素子部４１に付着したＰＭを燃焼させる燃焼期間（時刻ｔ１～ｔ２）よりも前に、素子部４１に付着する水をライデンフロスト現象により撥水させる撥水期間（撥水モード）を設けてもよい。この場合、撥水期間（所定期間）において、デューティ比Ｄ２でヒータ４４に通電してもよい。これにより、撥水期間において、素子部４１への被毒物質の付着を抑制することができる。

　・素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間（時刻ｔ３～時刻ｔ４）において、素子部４１にＰＭが付着する状態が異常となる期間には、素子部４１にＰＭを付着させないことが望ましい。そこで、素子部４１にＰＭを付着させる捕集期間を除く所定期間として、素子部４１にＰＭが付着する状態が異常となる内燃機関１１の運転期間を設定してもよい。そして、ＰＭの付着する状態が異常となる期間が終了すれば、ＰＭ捕集期間を再開し、上記所定期間を除いた捕集期間が基準期間になるまで、素子部４１にＰＭを付着させる。こうした構成によれば、所定期間において、デューティ比Ｄ２でヒータ４４が動作させられる。したがって、素子部４１から離れる向きに、被毒物質に加えてＰＭに熱泳動力を作用させることができ、素子部４１へのＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、適切な期間に素子部４１にＰＭを付着させることができ、ＰＭの量を検出する精度を向上させることができる。なお、素子部４１にＰＭが付着する状態が異常となる期間として、内燃機関１１の始動時や、加減速時等を採用することができる。

　上記構成において、排気の温度が一時的に急上昇する場合は、素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度（例えば５００℃）よりも一時的に高くなることが起こり得る。この場合、素子部４１に付着したＰＭが一時的に燃焼するおそれがある。しかしながら、このような状態を完全に防ごうとすると、デューティ比Ｄ２を過剰に低く設定せざるを得ず、素子部４１の温度が排気の温度よりも低くなる可能性が高くなる。

　この点、デューティ比Ｄ２は、所定期間において、８０％を超える期間で素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも低くなるように予め設定されているといった構成を採用してもよい。この所定期間は、デューティ比Ｄ２でヒータ４４を動作させる期間である。こうした構成によれば、素子部４１に付着したＰＭが検出前に燃焼することを抑制しつつ、素子部４１へのＰＭの異常な堆積を抑制することができる。なお、素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも一時的に高くなったとしても、ＰＭが直ちに燃焼してなくなるわけではない。

　また、上記構成において、デューティ比Ｄ２は、ＰＭ捕集フィルタ１５により捕集されたＰＭを燃焼させている期間、又は内燃機関１１の急加速期間において、素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも高くなり得るように予め設定されているといった構成を採用してもよい。こうした構成によれば、上記のような場合は、例外的に素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも一時的に高くなることを許容することができ、デューティ比Ｄ２が過剰に低く設定されないようにすることができる。

　・素子部４１が急冷される場合として、寒冷地等で極低気温となる場合を想定することもできる。

　・デューティ比Ｄ２は、固定値に限らず、下限値と上限値との間で可変とすることもできる。

　・予め設定された所定制御量でヒータ４４を動作させる構成としては、デューティ比Ｄ２でヒータ４４に通電する構成に限らない。予め設定された所定電流値でヒータ４４に通電する構成や、予め設定された所定電圧値でヒータ４４に通電する構成等を採用することもできる。要するに、素子部４１の温度が排気の温度よりも高く、且つ素子部４１が熱劣化する所定温度よりも低くなるように予め設定された所定制御量で、ヒータ４４を動作させればよい。

　・ＥＣＵ３０は、素子部４１の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度よりも高い場合に、所定制御量でヒータ４４を動作させるよりも、素子部４１の温度が低下する制御量でヒータ４４を動作させるといった構成を採用することもできる。素子部４１の温度は、例えば内燃機関１１の運転状態に基づいて推定することができる。素子部４１の温度が低下する制御量として、例えば所定制御量を一定量低下させた制御量を採用することができる。こうした構成によれば、素子部４１に付着したＰＭが一時的に燃焼することを抑制することができる。

　さらに、素子部４１の温度を検出する温度センサを内燃機関内に備える。温度センサにより検出される温度がＰＭが燃焼を開始する温度よりも高い場合に、ＥＣＵ３０は、以下の構成を採用することができる。すなわち、ＥＣＵ３０は、所定制御量でヒータ４４を動作させるよりも、素子部４１の温度が低下するような制御量でヒータ４４を動作させるといった構成を採用することができる。こうした構成によれば、素子部４１に付着したＰＭが一時的に燃焼することを、確実に抑制することができる。温度センサとして、素子部４１の温度を検出するサーミスタ等を採用することができる。また、ヒータ４４の電熱線４４ａに通電して発熱させると、電熱線４４ａの抵抗値は変化する。電熱線４４ａの温度と電熱線４４ａの抵抗値との間には一定の関係があり、電熱線４４ａの抵抗値に基づいて素子部４１の温度を検出することができる。この場合は、電熱線４４ａが温度センサに相当する。なお、素子部４１の温度を検出する温度センサを備える場合は、素子部４１の温度が目標温度となるように所定制御量を調節することもできる。

　・ヒータ４４がＰＭセンサ４０とは別体で設けられた構成を採用することもできる。

　・ＰＭ検出装置（粒子状物質検出装置）が、ＰＭセンサ４０とＰＭセンサ４０のコントロールユニットとを含むＰＭセンサモジュールにより構成されていてもよい。

　・ガソリン、アルコール、天然ガス等の燃料を用いる内燃機関を対象として、排気中に含まれるＰＭを検出する装置として具体化することもできる。ただし、一般にガソリン機関の排気の温度は、最高８００℃まで上昇する。このため、素子部４１へ流通する排気の温度が最高５００℃となる位置に、素子部４１を取り付ける必要がある。なお、素子部４１へ流通する排気の温度が、ガソリン機関（内燃機関）の限られた運転状態において一時的に５００℃を超えることを許容してもよい。

　１１…内燃機関、２０…ＰＭ検出装置、３０…ＥＣＵ、３１…マイクロコンピュータ、３２…検出部制御回路、３３…ヒータ制御回路、４０…ＰＭセンサ、４１…素子部、４４…ヒータ。

Claims

　内燃機関（１１）の排気中に含まれる粒子状物質を付着させる素子部（４１）と、
　前記素子部を加熱するヒータ（４４）と、
　前記素子部の電気的特性に基づいて前記粒子状物質の量を検出する検出部（３１，３２）と、
　前記ヒータの動作を制御する制御部（３１，３３）と、
を備える粒子状物質検出装置（２０）であって、
　前記制御部は、前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く所定期間において、前記素子部の温度が前記排気の温度よりも高く前記素子部が熱劣化する所定温度よりも低くなるように予め設定された所定制御量で、前記ヒータを動作させることを特徴とする粒子状物質検出装置。
　前記所定制御量は、前記素子部の温度と前記排気の温度との差が１００℃よりも小さくなるように予め設定されている請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
　前記所定制御量は、前記所定期間において、８０％を超える期間で前記素子部の温度が前記排気の温度よりも高くなるように予め設定されている請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
　前記内燃機関の排気通路（１３）において前記素子部よりも上流には、前記粒子状物質を捕集して燃焼させるフィルタ（１５）が設けられており、
　前記所定制御量は、前記フィルタにより捕集された前記粒子状物質を燃焼させている期間、又は前記内燃機関の急加速期間において、前記排気の温度が前記素子部の温度よりも高くなり得るように予め設定されている請求項１～３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記所定期間は、前記検出部により前記粒子状物質の量を検出した後の期間に含まれている請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記所定期間は、前記素子部に前記粒子状物質が付着する状態が異常となる前記内燃機関の運転期間である請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記所定制御量は、前記所定期間において、８０％を超える期間で前記素子部の温度が、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも低くなるように予め設定されている請求項６に記載の粒子状物質検出装置。
　前記内燃機関の排気通路において前記素子部よりも上流には、前記粒子状物質を捕集して燃焼させるフィルタが設けられており、
　前記所定制御量は、前記フィルタにより捕集された前記粒子状物質を燃焼させている期間、又は前記内燃機関の急加速期間において、前記素子部の温度が、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも高くなり得るように予め設定されている請求項６又は７に記載の粒子状物質検出装置。
　前記制御部は、所定周期のうち前記ヒータに通電する比率であるデューティ比により前記ヒータの動作を制御し、前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く所定期間において、予め設定された所定デューティ比で前記ヒータを動作させる請求項１～８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記素子部の温度は前記排気の温度に応じて変化する請求項１～９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記制御部は、前記素子部の温度が、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも高い場合に、前記所定制御量で前記ヒータを動作させるよりも、前記素子部の温度が低下する制御量で前記ヒータを動作させる請求項１～１０のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
　前記素子部の温度を検出する温度センサ（４４ａ）を備え、
　前記制御部は、前記温度センサにより検出される温度が、前記粒子状物質が燃焼を開始する温度よりも高い場合に、前記所定制御量で前記ヒータを動作させるよりも、前記素子部の温度が低下する制御量で前記ヒータを動作させる請求項１～１１のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。