WO2017069241A1 - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

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真宏 山本
豪 宮川
坂輪　年洋
祐人 勝野
学 吉留
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Definitions

  • the present invention relates to a particulate matter detection device that detects particulate matter, and more particularly to a particulate matter detection device that detects the amount of particulate matter contained in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • an apparatus equipped with a particulate matter sensor for detecting particulate matter (Particulate Matter), hereinafter referred to as “PM”, contained in exhaust gas from a diesel engine or the like is known.
  • PM particulate matter
  • the element of the particulate matter sensor is controlled to a predetermined temperature range for burning PM, and the PM deposited on the element portion is burned and removed.
  • control for removing the accumulated PM is called regeneration control. By performing regeneration control, the particulate matter sensor element can be used continuously.
  • PM includes not only main soot and soluble organic components (SOF), but also ash components derived from engine oil and fuel.
  • the ash component is an insulating material containing calcium sulfate, magnesium sulfate or the like as a component.
  • the main object of the present invention is to provide a particulate matter detection device capable of suppressing the fusion of the ash component to the element portion.
  • the present invention relates to a particulate matter detection device, an element portion (41) for adhering particulate matter contained in the exhaust gas of the internal combustion engine (20), a heater (44) for heating the element portion, An amount detection unit (70) for detecting the amount of the particulate matter based on electrical characteristics of the element unit, a temperature detection unit (60) for detecting the temperature of the element unit, and the particulate matter in the element unit In the first period excluding the period for adhering, based on the temperature detected by the temperature detection unit, the heater burns the soluble organic component contained in the particulate matter in the element unit, and the The first temperature control unit (70) for heating to a first temperature range in which the ash component contained in the particulate matter is not melted, and a period excluding the period for attaching the particulate matter to the element portion, In the second period after the period, Based on the temperature detected by the temperature detection unit, the heater heats the element unit to a second temperature range higher than the first temperature range and where soot contained
  • the element part burns the soluble organic component contained in the particulate substance and the ash component contained in the particulate substance. Heated to a first temperature range that does not melt. Thereafter, in the second period, the element portion is heated to a second temperature range that is higher than the first temperature range and in which soot contained in the particulate matter burns.
  • the particulate matter is burned and removed, and the element portion is regenerated.
  • the inventor melts the ash component contained in the particulate matter when the element portion is heated to a temperature at which the soot that is the main component of the particulate matter burns.
  • the knowledge that the ash component fused to the part was obtained.
  • the soluble organic component burns to become steam before the soot burns.
  • the ash component leaves the PM without melting and flies from the element portion.
  • the ash component when the element portion is heated to the second temperature range, the ash component is separated from the particulate matter. Therefore, even if the element portion is heated to the second temperature range, the ash component is melted into the element portion. The soot can be burned while suppressing the wearing. Further, by heating to the first temperature range, the temperature of the element portion may be higher than the target temperature due to the combustion heat when the soluble organic component burns, but it falls within the temperature lower than the temperature at which the ash component melts. Therefore, fusion of the ash component to the element portion can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a functional block diagram illustrating the SCU function.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an ECU employed in each embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an element part and a heater part of the PM sensor.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state where a PM sensor is attached to the exhaust passage of the engine.
  • FIG. 6 is a time chart of sensor output (6 (a) in the figure) and sensor temperature (6 (b) in the figure) during regeneration control of the PM sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for performing regeneration control of the PM sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a time chart of sensor output (8 (a) in the figure) and sensor temperature (8 (b) in the figure) during regeneration control of the PM sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a processing procedure for performing regeneration control of the PM sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a time chart of sensor output (10 (a) in the figure) and sensor temperature (10 (b) in the figure) during regeneration control of the PM sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a processing procedure for performing regeneration control of the PM sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a processing procedure for performing regeneration control of the PM sensor according to the fourth embodiment.
  • PM detection device particulate matter detection device
  • the engine system 10 includes an engine 20.
  • the engine 20 (internal combustion engine) is, for example, a diesel engine.
  • An intake passage 12 and an exhaust passage 13 are connected to the engine 20.
  • An exhaust gas purification device 14 is attached to the exhaust passage 13.
  • the exhaust purification device 14 is configured to remove harmful components from the exhaust discharged from the engine 20.
  • the harmful components include nitrogen oxides, carbon compounds such as HC (Hydrocarbon) and CO (Carbon Monoxide) generated by unburned or incomplete combustion of fuel, PM, and the like.
  • the exhaust gas purification device 14 is provided with a PM collection filter 15. Since the configuration of the exhaust purification device 14 is well known, a detailed description thereof will be omitted.
  • the engine system 10 is provided with a temperature sensor 16 and a PM detection device 80.
  • the temperature sensor 16 is disposed on the upstream side of the exhaust passage 13 relative to the exhaust purification device 14 and monitors the exhaust temperature.
  • An ECU (Electrical Control Unit) 70 which will be described later, monitors the state of the exhaust purification device 14 and the PM collection filter 15 based on the exhaust temperature, and if the PM collection amount exceeds an allowable amount, the PM collection filter 15 Perform playback control.
  • the PM detection device 80 includes a PM sensor 50, an SCU 60 (sensor control unit), and an ECU 70, and detects the amount of PM that has passed through the PM collection filter 15.
  • PM is mainly composed of soot and soluble organic components (hereinafter referred to as SOF), and contains an ash component (hereinafter referred to as ash).
  • Ash is generated by oxidation of metal components and the like contained in engine oil and fuel additives.
  • ash is made of oxides such as phosphorus, sulfur and calcium.
  • the soot that is the main component of PM is a conductive substance, while ash is an insulating substance.
  • the PM sensor 50 is disposed on the downstream side of the exhaust passage 13 with respect to the exhaust purification device 14, and detects PM passing through the PM collection filter 15 and slipping downstream.
  • the PM sensor 50 includes a sensor unit 40, a cover body 400, a cylindrical housing 500, and a cylindrical insulator 600.
  • the tubular housing 500 is screwed to the passage wall of the exhaust passage 13, and the tubular insulator 600 is held inside the tubular housing 500.
  • the cover body 400 has a hollow interior, is fixed to the lower end of the cylindrical housing 500, and protrudes into the exhaust passage 13.
  • the upper half of the sensor unit 40 is inserted and fixed to the cylindrical insulator 600, and the lower half of the sensor unit 40 is located in the hollow portion of the cover body 400.
  • Through holes 410 and 411 through which exhaust gas containing PM that has passed through the PM collection filter 15 flows in and out are formed in the bottom and sides of the cover body 400.
  • the sensor unit 40 of the PM sensor 50 includes an element unit 41 and a heater unit 47.
  • the element portion 41 is configured by forming a pair of comb-shaped electrodes 42 and 43 facing each other at a predetermined inter-electrode distance on one surface 45 a of the insulating substrate 45.
  • the pair of electrodes are formed on the side surface of the element portion 41, but a pair of electrodes may be formed on the tip end surface of the element.
  • the pair of electrodes 42 and 43 is connected to the control circuit 61 of the SCU 60.
  • the insulating substrate 45 is formed of a ceramic material excellent in electrical insulation and heat resistance such as alumina, zirconia, beryllia, mullite, silicon nitride and the like in a flat plate shape by a known method such as a doctor blade method or a press forming method. ing.
  • PM contained in the exhaust gas flowing from the through holes 410 and 411 adheres to the element portion 41. Since the main component of PM is a soot of conductive material, when PM adheres between the electrode 42 and the electrode 43, the electrical resistance between the electrodes decreases to a predetermined level and a current flows. That is, when PM adheres between the electrodes, the electrical characteristics of the element unit 41 change.
  • the heater unit 47 is configured by forming the heater 44 on one surface 46 a of the insulating substrate 46 formed by the same method as the insulating substrate 45.
  • the heater 44 is connected to the heater power supply 62 of the SCU 60.
  • the heater unit 47 is disposed so that the heater 44 is directly below the electrodes 42 and 43, and efficiently heats the element unit 41 to a predetermined temperature.
  • the insulating substrate 45 and the insulating substrate 46 may be integrated. That is, the heater 44 may be built in the insulating substrate 45 of the element unit 41, and the sensor unit 40 may be composed of only the element unit 41.
  • the SCU 60 includes a control circuit 61 and a heater power supply 62.
  • the heater power source 62 is a power source for power supplied to the heater 44.
  • the control circuit 61 detects the current flowing through the electrodes 42 and 43 and transmits an electric signal corresponding to the detected current to the ECU 70.
  • the control circuit 61 exchanges information with the ECU 70 as appropriate.
  • the control circuit 61 controls the driving of the heater power source 62 to control the temperature of the heater 44, that is, the temperature of the element unit 41 heated by the heater 44. Specifically, as shown in FIG.
  • the control circuit 61 stores a central processing unit (CPU) 61A that plays a central role in control processing, a ROM (not shown) that stores a predetermined program and functions as a non-transitional physical recording medium.
  • the computer system includes a read-only memory (61B) and a RAM 61C (random-access memory).
  • the CPU 61A executes a program stored in the ROM 61B in advance, thereby functionally realizing a temperature detection unit OD, a first temperature control unit P1, and a second temperature control unit P2, as shown in FIG.
  • the RAM 61C is used as a memory for temporarily storing data when the CPU 61A executes processing.
  • the ECU 70 is mainly composed of a microcomputer including a memory such as a CPU 70A, a ROM 70B, and a RAM 70C, an input / output interface (I / O) 70D, and the like, as shown in FIG.
  • the ROM 70B functions as a non-transitional tangible recording medium as described above.
  • the ECU 70 implements the function of the amount detection unit 70M that detects the amount of PM by executing the detection process given by the CPU 70A.
  • the amount detection unit 70M detects the amount of PM based on the electrical characteristics of the element unit 41. Specifically, the amount detection unit 70M detects the amount of PM from the electric signal transmitted from the control circuit 61 and a correspondence map between the electric signal and the amount of PM.
  • the ECU 70 also performs control of the engine 20 and regeneration control of the PM collection filter 15.
  • the CPU 70A mounted on the ECU 70 and the CPU 60A mounted on the control circuit 61 of the SCU 60 cooperate with each other to perform processing for temperature control shown in
  • the operation of the PM detection device 80 will be described.
  • the ECU 70 monitors the detected amount of PM, and determines that the PM collection filter 15 is abnormal when it is clearly larger than normal.
  • the PM collection filter 15 is normal, if the amount of accumulated PM in the element portion 41 exceeds a certain amount, the electrical resistance between the electrodes 42 and 43 becomes small, and the PM detection accuracy decreases. . Therefore, when PM accumulates to some extent on the element portion 41, it is desirable to perform sensor regeneration control that burns and removes the accumulated PM.
  • the burning temperature of soot which is the main component of PM, is generally 600 ° C. or higher, and if heated to 750 ° C. or higher, soot can be completely burned and removed.
  • the combustion temperature of SOF is generally 400 ° C. or higher.
  • the melting point of ash is generally 900 ° C. or higher.
  • the melting point may be lowered due to a so-called quantum size effect.
  • a eutectic reaction may occur and the melting point may be lowered.
  • the melting point of ash may be lowered to about 750 ° C., but is hardly lowered to 750 ° C. or lower.
  • fusing point may fall by the same effect also about a cocoon and a soluble organic component.
  • the present inventor has obtained the knowledge that when the element part 41 is heated to a temperature of, for example, 750 ° C. to 850 ° C. in order to completely burn the soot, the ash of the fine particles is melted and fused to the element part 41. . Since the PM sensor 50 detects the amount of PM based on the electrical characteristics of the element unit 41, when the ash of the insulating material is fused to the element unit 41, the sensitivity of the PM sensor 50 is reduced or lost.
  • the soot does not completely burn, and there is a possibility that the unburned residue of the soot remains in the element unit 41.
  • the element part 41 is heated to a temperature of 600 ° C. to 750 ° C., soot and SOF burn at a time, so that the ash does not fly well from the element part 41 and the ash may remain in the element part 41. is there. Therefore, in the first embodiment, in the sensor regeneration control, the temperature of the element unit 41 is heated in two stages.
  • the control circuit 61 details of each function of the control circuit 61 will be described.
  • the temperature detection unit OD detects the temperature of the element unit 41. Specifically, the temperature detection unit OD detects the temperature of the element unit 41 based on the electric resistance value of the heater 44. When the heater 44 is energized to generate heat, the electrical resistance value of the heater 44 changes. There is a certain relationship between the temperature of the heater 44 and the electrical resistance value of the heater 44. Therefore, the electrical resistance value of the heater 44 is measured by the SCU 60, and the temperature detection unit OD detects the temperature of the heater 44 from the measured value of the electrical resistance value and the correspondence relationship between the prepared temperature and the electrical resistance value. .
  • the temperature of the heater 44 can be regarded as the temperature of the element unit 41.
  • a temperature sensor 51 (temperature detection device) is provided in the element unit 41, and the temperature of the element unit 41 is detected based on the temperature detected by the temperature sensor 51. May be. By providing the temperature sensor 51 in the element unit 41, the temperature of the element unit 41 can be detected with high accuracy.
  • the first temperature control unit P1 heats the element unit 41 to the first temperature range for the first period by the heater 44 based on the temperature detected by the temperature detection OD unit in the first period excluding the PM detection period. For example, the first temperature control unit P1 feeds back the detected temperature of the element unit 41 and controls the temperature of the element unit 41 to a target temperature within the first temperature range.
  • the first temperature range is a temperature range where SOF burns and ash does not melt. Specifically, the first temperature range is 400 ° C. to 600 ° C.
  • the PM detection period is a period in which PM is collected by attaching PM to the element unit 41.
  • the 1st temperature control part P1 makes target temperature constant in a 1st temperature range, and controls it so that the temperature of the element part 41 may become fixed temperature, for example, 500 degreeC. Thereby, the element part 41 can be maintained at an appropriate temperature according to the situation in the first temperature range.
  • the first temperature range of 400 ° C. to 600 ° C. is a temperature range lower than the melting point of ash even when the melting point of ash is low.
  • the SOF burns before the soot burns, and the temperature of the element unit 41 may become higher than the target temperature due to the combustion heat of the SOF.
  • the temperature of the element unit 41 Falls below the melting point of ash. Therefore, when the element unit 41 is heated to the first temperature range, the SOF is combusted and vaporized, and as the SOF is vaporized, the ash is released from the PM without being melted and flies from the element unit 41.
  • the first temperature range is often higher than the exhaust temperature.
  • the exhaust temperature of a diesel engine is about 400 ° C. Therefore, in the first temperature range, the thermophoretic force works from the element unit 41 toward the exhaust, and the ash moves away from the element unit 41. Therefore, by heating the element unit 41 to the first temperature range, the SOF is combusted and the ash is separated from the element unit 41.
  • the electrical resistance between the electrodes 42 and 43 is increased by burning SOF.
  • the output of the PM sensor 50 decreases.
  • soot remains deposited between the electrodes 42 and 43, the output of the PM sensor 50 does not decrease to zero.
  • the second temperature control unit P2 is a period excluding the PM period.
  • the element unit 41 is heated to the second temperature range by the heater 44 based on the temperature detected by the temperature detection unit for the second period.
  • the second temperature control unit P2 feeds back the detected temperature of the element unit 41 and controls the temperature of the element unit 41 to the target temperature in the second temperature range.
  • the second temperature range is a temperature range higher than the first temperature range and where soot burns. Specifically, the second temperature range is 750 ° C. to 850 ° C.
  • the second temperature control unit P2 like the first temperature control unit P1, makes the target temperature constant in the second temperature range, and the temperature of the element unit 41 is constant.
  • the temperature is controlled to be 800 ° C.
  • the second temperature range of 750 ° C. to 850 ° C. is a temperature range where soot is completely burned.
  • first period and the second period are periods in which the exhaust passage 13 is dry, not a period in which condensed water exists in the exhaust passage 13 as in a cold start. Therefore, even if the element unit 41 is heated to the first temperature range and the second temperature range, there is no possibility that the element unit 41 is subject to water cracking. Whether or not the exhaust passage 13 is dry may be determined based on, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the engine 20.
  • the ECU 70 that is, the CPU 70A
  • the SCU 60 that is, the CPU 60A
  • step S10 detection of the amount of PM adhering to the element unit 41 is started while the heater 44 is turned off. Subsequently, in step S11, the detection of the amount of PM attached to the element unit 41 is completed with the heater 44 turned off (that is, the function of the amount detection unit 70M is exhibited).
  • step S12 the heater 44 is turned on and regeneration control of the element unit 41 of the PM sensor 50 is started.
  • step S13 the electric power of the heater 44 is controlled to heat the element unit 41 to the first temperature in the first temperature range for the first period.
  • the element unit 41 is heated to 500 ° C. for 30 seconds.
  • the SOF contained in the PM burns and the ash flies from the element portion 41.
  • step S14 (corresponding to the second temperature control unit P2), the power of the heater 44 is controlled to heat the element unit 41 to the second temperature in the second temperature range for the second period.
  • the element unit 41 is heated to 800 ° C. for 60 seconds.
  • the soot contained in PM burns and PM deposited on the element part 41 is removed.
  • step S15 the regeneration control is terminated and the heater 44 is turned off.
  • One cycle of the durability test according to the first embodiment is a regeneration control of heating to 500 ° C. for 30 seconds + heating to 800 ° C. for 60 seconds ⁇ heater 44 is turned off and cooled for 15 seconds ⁇ heater 44 is turned off and PM detection is performed for 200 seconds ⁇ Driving for 300 seconds after PM detection ( ⁇ return to regeneration control).
  • the durability test processing cycle related to the conventional regeneration control the regeneration control of the durability test processing cycle according to the first embodiment was heated at 800 ° C. for 60 seconds.
  • PM was discharged from the engine 20 at an average concentration of 10 mg / m 3 and the number of endurance test cycles until PM detection could not be completed within 200 seconds was compared.
  • the sensitivity of the PM sensor 50 decreased at the time when 110 cycles passed, and PM detection could not be completed within 200 seconds.
  • the durability test according to the first embodiment the sensitivity of the PM sensor 50 is reduced when 160 cycles have elapsed, and PM detection cannot be completed within 200 seconds. That is, in the durability test according to the first embodiment, the temperature in the regeneration control is set to two stages, so that the fusion of the ash to the element portion 41 is suppressed, and the durability of the PM sensor 50 is improved.
  • the SOF burns before the soot burns.
  • the ash leaves the PM without melting and flies away from the element portion 41. Therefore, when the element part 41 is heated to the second temperature range, the ash is detached from the PM, so that the ash is fused to the element part 41 even if the element part 41 is heated to the second temperature range.
  • the soot can be burned while suppressing the above.
  • the first temperature range By setting the first temperature range to 400 ° C. to 600 ° C., even when the ash melting point is lowered, the first temperature range is lower than the ash melting point. Moreover, even if the temperature of the element part 41 becomes higher than target temperature with the combustion heat accompanying combustion of SOF while the 1st temperature range becomes low, it can be kept in temperature lower than melting
  • first period and the second period are periods in which the exhaust passage 13 is dry, even if the element unit 41 is heated to the first temperature range and the second temperature range, Cracking can be prevented.
  • the element portion 41 can be maintained at an appropriate temperature by controlling the temperature of the element portion 41 to a constant temperature.
  • the temperature of the element unit 41 can be detected with high accuracy.
  • the PM detection device 80 according to the second embodiment will be described with respect to differences from the PM detection device 80 according to the first embodiment.
  • the PM detection device 80 according to the second embodiment is different from the first embodiment in the temperature control of the element unit 41 by the first temperature control unit P1 and the second temperature control unit P2.
  • the first temperature control unit P1 performs control so that the target temperature is variable in the first temperature range and the temperature of the element unit 41 is variable during the first period. For example, the first temperature control unit P1 gradually increases the temperature of the element unit 41 from 400 ° C. to 600 ° C.
  • the second temperature control unit P2 performs control so that the target temperature is variable in the second temperature range and the temperature of the element unit 41 is variable in the second period. For example, the second temperature control unit P2 gradually increases the temperature of the element unit 41 from 750 ° C. to 850 ° C.
  • This processing procedure is repeatedly executed at predetermined intervals in cooperation between the ECU 70 and the SCU 60 until the engine 20 is stopped after the engine 20 is started and the exhaust passage 13 is dried.
  • steps S20 to S22 the same processing as in steps S10 to S12 is performed.
  • step S23 the electric power of the heater 44 is controlled to variably control the element unit 41 to a temperature within the first temperature range. For example, the element unit 41 is heated for 30 seconds while being changed at a temperature within 400 ° C. to 600 ° C.
  • step S24 the electric power of the heater 44 is controlled to variably control the element unit 41 to a temperature within the second temperature range. For example, the element unit 41 is heated for 60 seconds while being changed at a temperature within 750 ° C. to 850 ° C.
  • step S25 the regeneration control is terminated and the heater 44 is turned off. This process is complete
  • the sensitivity of the PM sensor 50 decreased at the time when 180 cycles passed, and PM detection could not be completed within 200 seconds. That is, according to the second embodiment, the durability of the PM sensor 50 is further improved as compared with the first embodiment.
  • the same effects as (1) to (3) and (5) to (6) of the first embodiment are obtained, and further, the ash is fused to the element portion 41. And the durability of the PM sensor 50 can be improved.
  • the temperature control of the element unit 41 can be performed. Easy to do.
  • the element unit 41 may be heated to a constant temperature as in the first embodiment.
  • the PM detection device 80 according to the third embodiment will be described with respect to differences from the PM detection device 80 according to the first embodiment.
  • the PM detection device 80 according to the first embodiment always starts the temperature control by the first temperature control unit P1 when the first period is reached.
  • the PM detection apparatus 80 according to the third embodiment starts the temperature control by the first temperature control unit P1 only when the predetermined condition is satisfied when the first period is reached.
  • the first temperature control unit P1 heats the element unit 41 to the first temperature range on the condition that the amount of PM detected by the amount detection unit 70M has reached a predetermined threshold value.
  • the element unit 41 is heated to a two-stage temperature range. Further, when the PM deposition amount in the element unit 41 is less than the predetermined threshold, even if the ash is melted, the decrease in sensitivity of the PM sensor 50 is relatively small. For this purpose, the element unit 41 is heated at a constant temperature as in the conventional regeneration control.
  • Whether or not the PM deposition amount in the element unit 41 has reached a predetermined threshold value is determined by whether or not the output current of the PM sensor 50 is equal to or greater than the threshold current.
  • the threshold current is, for example, 15 ⁇ A.
  • the output current of the PM sensor 50 is equal to or greater than the threshold current.
  • the element unit 41 is heated at, for example, 500 ° C. for 30 seconds in the first period during regeneration control, and the element unit 41 is heated at, for example, 800 ° C. Heat for 60 seconds.
  • the output current of the PM sensor 50 is less than the threshold current.
  • the element unit 41 is heated at a constant temperature of, eg, 800 ° C. for 90 seconds during the regeneration control period.
  • This processing procedure is repeatedly executed at predetermined intervals in cooperation between the ECU 70 and the SCU 60 until the engine 20 is stopped after the engine 20 is started and the exhaust passage 13 is dried.
  • steps S30 and S31 the same processing as in steps S10 and S11 is performed.
  • step S32 it is determined whether or not the detected value of the PM amount is equal to or greater than a threshold value. That is, it is determined whether the output current of the PM sensor 50 is equal to or greater than the threshold current.
  • step S32 when the detected value of the PM amount is equal to or greater than the threshold value, regeneration control for heating the element unit 41 to a two-stage temperature range is performed in order to suppress the ash from being fused to the element unit 41.
  • steps S33 to S35 processing similar to that in steps S12 to S14 is performed, and in step S38, the regeneration control is terminated, the heater 44 is turned off, and the present processing is terminated.
  • Steps S32, S34, and S37 correspond to the first temperature control unit P1
  • step S35 corresponds to the second temperature control unit P2.
  • step S36 the heater 44 is turned on to start regeneration control, and in step S37, the element unit 41 is heated to a constant temperature.
  • step S38 the regeneration control is finished, the heater 44 is turned off, and this process is finished.
  • the same effects as in (1) to (6) of the first embodiment can be obtained, and the element unit 41 can be reduced to 2 on the condition that the detected amount of PM has reached the threshold value.
  • Regeneration control for heating to a temperature range of steps is performed.
  • step S33 to step S35 the temperature of the element unit 41 may be controlled to vary in the first temperature range and the second temperature range as in the second embodiment. Or you may control so that the temperature of the element part 41 may vary in any one of a 1st temperature range and a 2nd temperature range.
  • the first temperature control unit P1 sets the temperature of the heater 44 based on the exhaust information.
  • Exhaust information includes exhaust temperature, exhaust flow velocity, and the like.
  • the exhaust temperature is detected by the temperature sensor 16.
  • the exhaust flow velocity is calculated from the intake amount of the engine 20, the intake pressure, the cross-sectional area of the exhaust passage 13, and the like.
  • the temperature of the element part 41 changes under the influence of the exhaust gas temperature, and the influence of the exhaust gas temperature increases as the exhaust gas flow velocity increases. For example, when the exhaust temperature is lower than the temperature of the element unit 41 and the exhaust flow rate is relatively large, the temperature of the element unit 41 tends to be lower than the temperature of the heater 44. Therefore, in this case, the first temperature control unit P1 sets the temperature of the heater 44 to be higher than the target temperature of the element unit 41.
  • the second temperature control unit P2 also sets the temperature of the heater 44 based on the exhaust information, similarly to the first temperature control unit P1.
  • This processing procedure is repeatedly executed at predetermined intervals in cooperation between the ECU 70 and the SCU 60 until the engine 20 is stopped after the engine 20 is started and the exhaust passage 13 is dried.
  • steps S40 to S42 processing similar to that in steps S10 to S12 is performed.
  • step S43 exhaust information such as exhaust temperature and exhaust flow velocity is acquired.
  • step S44 based on the exhaust information acquired in step S43, the temperature of the heater 44 is set so that the element unit 41 is heated to the first temperature in the first temperature range, and the element unit 41 is set to the first temperature. Heat for a period.
  • step S45 exhaust information is acquired.
  • step S46 based on the exhaust information acquired in step S45, the temperature of the heater 44 is set so that the element unit 41 is heated to the second temperature in the second temperature range, and the element unit 41 is set to the second temperature. Heat for a period.
  • step S47 the regeneration control is terminated and the heater 44 is turned off. This process is complete
  • the same effects as in (1) to (6) of the first embodiment are obtained, and the temperature at which the element unit 41 is heated is set based on the exhaust information.
  • the temperature of the element unit 41 can be controlled with high accuracy so as to become the target temperature. As a result, the fusion
  • step S44 and step S46 you may control so that the temperature of the element part 41 may vary in a 1st temperature range and a 2nd temperature range like 2nd Embodiment. Or you may control so that the temperature of the element part 41 may vary in any one of a 1st temperature range and a 2nd temperature range.
  • regeneration control for heating the element unit 41 to a two-stage temperature range may be performed on the condition that the detected amount of PM has reached the threshold value.
  • the fourth embodiment may be implemented by appropriately combining the second embodiment and the third embodiment.
  • the function of the control circuit 61 of the SCU 60 may be realized by the ECU 70, and the heater power supply 62 may be incorporated in the ECU 70. That is, the electrodes 42 and 43 and the heater 44 may be directly connected to the ECU 70, and the PM detection device 80 may be composed of the PM sensor 50 and the ECU 70. Even when the PM detection device 80 includes the SCU 60 and the ECU 70, the ECU 70 may realize a part of the functions of the control circuit 61, or the control circuit 61 may realize a part of the functions of the ECU 70. . Further, the ECU 70 may not control the engine 20.
  • the application target of the PM detection device 80 is not limited to a diesel engine.
  • the PM detection device 80 can also be applied to an engine that uses fuel such as gasoline, alcohol, and natural gas.

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Abstract

粒子状物質検出装置が提供される。この装置では、エンジン（２０）の排気中に含まれるＰＭ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ＰＭの量を検出する量検出部と、素子部４１の温度を検出する温度検出部とを備える。この装置はさらに、第１温度制御部（７０（Ｐ１））及び第２温度制御部（７０（Ｐ２））を備える。第１温度制御部（７０（Ｐ１））は、素子部４１にＰＭを付着させる期間を除く第１期間において、検出された素子部４１の温度に基づいて、ヒータ４４により、素子部４１を、ＰＭに含まれる可溶性有機成分が燃焼し、且つＰＭに含まれる灰成分が融解しない第１温度域に加熱させる。第１期間は、素子部４１にＰＭを付着させる期間を除く期間である。また、第２温度制御部（７０（Ｐ２））は、第１の期間の後の第２期間において、検出された素子部４１の温度に基づいて、ヒータ４４により、素子部４１を、第１温度域よりも高く且つＰＭに含まれる煤が燃焼する第２温度域に加熱させる。

Description

粒子状物質検出装置
　本発明は、粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置に係り、特に、内燃機関の排気中に含まれる粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出装置に関する。
　従来、ディーゼルエンジン等の排気に含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ）、以下「ＰＭ」という）を検出する粒子状物質センサ搭載した装置が知られている。この装置では、粒子状物質を検出した後、粒子状物質センサの素子を、ＰＭを燃焼させる所定の温度域に制御して、素子部に堆積したＰＭを燃焼させて除去する構成のものが知られている（特許文献参照１）。堆積したＰＭを除去する制御を、再生制御という。再生制御を行うことにより、粒子状物質のセンサ素子を連続的に利用できる。
特開２０１２－１２９６０号公報
　ＰＭには、主体となる煤及び可溶性有機成分（ＳＯＦ）だけでなく、エンジンオイルや燃料等に由来する灰成分も含まれる。灰成分は、硫酸カルシウムや硫酸マグネシウム等を成分とする絶縁性物質である。本発明者は、素子部の再生制御を実施する際に、素子部を煤が燃焼する温度域に制御すると、灰成分の粒径等によっては、灰成分が融けて素子部へ融着することがあるとの知見を得た。ＰＭセンサは、素子部の電気的特性に基づいてＰＭの量を検出するため、絶縁性物質である灰成分が素子部へ融着すると、ＰＭの検出機能が低下したり喪失したりする。
　本発明は、上記実情に鑑み、灰成分の素子部への融着を抑制可能な粒子状物質検出装置を提供することを主たる目的とする。
　本発明は、粒子状物質検出装置であって、内燃機関（２０）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量検出部（７０）と、前記素子部の温度を検出する温度検出部（６０）と、前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く第１期間において、前記温度検出部により検出された前記温度に基づいて、前記ヒータにより、前記素子部を、前記粒子状物質に含まれる可溶性有機成分が燃焼し、且つ前記粒子状物質に含まれる灰成分が融解しない第１温度域に加熱する第１温度制御部（７０）と、前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く期間であって、前記第１期間の後の第２期間において、前記温度検出部により検出された前記温度に基づいて、前記ヒータにより、前記素子部を、前記第１温度域よりも高く且つ前記粒子状物質に含まれる煤が燃焼する第２温度域に加熱する第２温度制御部（７０）と、を備える。
　本発明によれば、素子部に粒子状物質を付着させる期間を除く第１期間において、素子部は、粒子状物質に含まれる可溶性有機成分が燃焼し、且つ粒子状物質に含まれ灰成分が融解しない第１温度域に加熱される。その後、第２期間において、素子部は、第１温度域よりも高く且つ粒子状物質に含まれる煤が燃焼する第２温度域に加熱される。
　一般に、素子部に付着した粒子状物質の検出が終わると、粒子状物質が燃焼されて除去され、素子部が再生される。ここで、発明者は、灰成分の粒径等によっては、素子部を粒子状物質の主成分である煤が燃焼する温度に加熱した場合、粒子状物質に含まれる灰成分が融解し、素子部に灰成分が融着するとの知見を得た。この点、素子部を第２温度域に加熱する前に第１温度域に加熱することにより、煤が燃焼する前に可溶性有機成分が燃焼して蒸気となる。そして、可溶性有機成分の気化に伴い、灰成分は融解しないままＰＭから離脱して素子部から飛んでいく。よって、素子部を第２温度域に加熱する際には、粒子状物質から灰成分が離脱しているため、素子部を第２温度域に加熱しても、灰成分の素子部への融着を抑制しつつ、煤を燃焼させることができる。また、第１温度域に加熱することにより、可溶性有機成分が燃焼する際の燃焼熱で素子部の温度が目標温度より高くなることがあるが、灰成分が融解する温度よりも低い温度に収まるため灰成分の素子部への融着を抑制することができる。
添付図面において：
図１は、本実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図。 図２は、ＳＣＵ機能を例示する機能ブロック図。 図３は、各実施形態で採用されているＥＣＵの概略構成を示すブロック図。 図４は、ＰＭセンサの素子部及びヒータ部の概略構成図。 図５は、エンジンの排気通路にＰＭセンサを取り付けた状態を示す概略断面図。 図６は、第１実施形態に係るＰＭセンサの再生制御時におけるセンサ出力（同図の６（ａ））、及びセンサ温度（同図の６（ｂ））のタイムチャート。 図７は、第１実施形態に係るＰＭセンサの再生制御を実施する処理手順を示すフローチャート。 図８は、第２実施形態に係るＰＭセンサの再生制御時におけるセンサ出力（同図の８（ａ））、及びセンサ温度（同図の８（ｂ））のタイムチャート。 図９は、第２実施形態に係るＰＭセンサの再生制御を実施する処理手順を示すフローチャート。 図１０は、第３実施形態に係るＰＭセンサの再生制御時におけるセンサ出力（同図の１０（ａ））、及びセンサ温度（同図の１０（ｂ））のタイムチャート。 図１１は、第３実施形態に係るＰＭセンサの再生制御を実施する処理手順を示すフローチャート。 図１２は、第４実施形態に係るＰＭセンサの再生制御を実施する処理手順を示すフローチャート。
　以下、粒子状物質検出装置（以下、ＰＭ検出装置という）を、車両に搭載されたエンジンシステムへ適用した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
　（第１実施形態）
　まず、第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成について説明する。図１に示すように、エンジンシステム１０は、エンジン２０を備える。エンジン２０（内燃機関）は、例えば、ディーゼルエンジンである。エンジン２０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、エンジン２０から排出された排気から有害成分を除去するように構成されている。有害成分は、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（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）やＣＯ（Ｃａｒｂｏｎ　ｍｏｎｏｘｉｄｅ）等の炭素化合物、ＰＭ等である。特に、第１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が設けられている。排気浄化装置１４の構成については周知であるので、詳細な説明は省略する。
　また、エンジンシステム１０には、温度センサ１６及びＰＭ検出装置８０が設けられている。温度センサ１６は、排気浄化装置１４よりも排気通路１３の上流側に配設されており、排気温度を監視している。後述するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）７０は、排気温度に基づいて、排気浄化装置１４やＰＭ捕集フィルタ１５の状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、ＰＭ捕集フィルタ１５の再生制御を行う。
　ＰＭ検出装置８０は、ＰＭセンサ５０、ＳＣＵ６０（センサコントロールユニット）、及びＥＣＵ７０を備え、ＰＭ捕集フィルタ１５を通過したＰＭの量を検出する。ＰＭは、煤や可溶性有機成分（Ｓｏｌｕｂｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ、以下ＳＯＦという）を主体とし、灰成分（以下、アッシュという）を含む。アッシュは、エンジンオイルや燃料添加剤に含まれる金属成分等が酸化して発生したもので、例えば、リン、硫黄、カルシウム等の酸化物からなる。ＰＭの主成分である煤は導電性物質であるが、アッシュは絶縁性物質である。
　ＰＭセンサ５０は、排気浄化装置１４よりも排気通路１３の下流側に配設されており、ＰＭ捕集フィルタ１５を通過して下流側にすり抜けるＰＭを検出する。以下、ＰＭセンサ５０の構成について、図４及び図５を参照して説明する。ＰＭセンサ５０は、センサ部４０、カバー体４００、筒状ハウジング５００、及び筒状インシュレータ６００を備える。筒状ハウジング５００は、排気通路１３の通路壁に螺結され、筒状インシュレータ６００は、筒状ハウジング５００の内部に保持される。カバー体４００は、内部が中空に形成されており、筒状ハウジング５００の下端部に固定されて、排気通路１３内に突出している。センサ部４０の上半部は、筒状インシュレータ６００に挿入固定され、センサ部４０の下半部は、カバー体４００の中空部分に位置している。カバー体４００の底部及び側部には、ＰＭ捕集フィルタ１５を通過したＰＭを含む排気が流出入するための通孔４１０，４１１が穿設されている。
　ＰＭセンサ５０のセンサ部４０は、素子部４１とヒータ部４７とから構成されている。素子部４１は、絶縁基板４５における一の表面４５ａ上に、所定の電極間距離をおいて対向する櫛歯形状の一対の電極４２，４３が形成されて構成されている。図５では素子部４１の側面部に一対の電極が形成されているが、素子先端面に一対の電極が形成されていてもよい。一対の電極４２，４３は、ＳＣＵ６０の制御回路６１に接続されている。絶縁基板４５は、アルミナ、ジルコニア、べリリア、ムライト、窒化珪素等の電気絶縁性及び熱耐性に優れたセラミックス材料を、ドクターブレード法、プレス形成法等の公知の手法により平板状にして形成されている。素子部４１には、通孔４１０，４１１から流入した排気中に含まれるＰＭが付着する。ＰＭの主成分は導電性物質の煤であるため、ＰＭが電極４２と電極４３との間に付着すると、電極間の電気抵抗は所定の程度まで低下し、電流が流れる。すなわち、電極間にＰＭが付着すると、素子部４１の電気的特性が変化する。
　ヒータ部４７は、絶縁基板４５と同様の手法で形成された絶縁基板４６の一の表面４６ａ上に、ヒータ４４が形成されて構成されている。ヒータ４４は、ＳＣＵ６０のヒータ電源６２に接続されている。ヒータ部４７は、ヒータ４４が電極４２，４３の直下になるように配置されて、素子部４１を効率よく所定温度に加熱する。なお、絶縁基板４５と絶縁基板４６は一体化されていてもよい。すなわち、ヒータ４４は、素子部４１の絶縁基板４５に内蔵されており、センサ部４０が素子部４１のみから構成されていてもよい。
　ＳＣＵ６０は、制御回路６１及びヒータ電源６２を備える。ヒータ電源６２は、ヒータ４４に供給される電力の電源となる。制御回路６１は、電極４２，４３を流れる電流を検出し、検出した電流に応じた電気信号をＥＣＵ７０へ送信する。制御回路６１は、適宜ＥＣＵ７０と情報をやり取りする。また、制御回路６１は、ヒータ電源６２の駆動を制御して、ヒータ４４の温度、すなわちヒータ４４で加熱される素子部４１の温度を制御する。詳しくは、制御回路６１は、後述する図４に示す如く、制御処理の中心を担うＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｕｎｉｔ）６１Ａ、所定のプログラムなどを保存するとともに非遷移的実体的記録媒体として機能するＲＯＭ（ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ　ｍｅｍｏｒｙ）６１Ｂ、及びＲＡＭ６１Ｃ（ｒａｎｄｏｍ―ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）を備えたコンピュータシステムとして構成されている。ＲＯＭ６１Ｂに予め格納されたプログラムをＣＰＵ６１Ａが実行することで、機能的に、図２に示すように、温度検出部ＯＤ、第１温度制御部Ｐ１、及び第２温度制御部Ｐ２を実現する。なお、ＲＡＭ６１Ｃは、ＣＰＵ６１Ａが処理を実行するときにデータを一時保存するメモリとして使用される。
　ＥＣＵ７０も制御回路６１と同様に、図３に示す如く、ＣＰＵ７０Ａ、ＲＯＭ７０Ｂ、ＲＡＭ７０Ｃなどのメモリ、並びに、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）７０Ｄ等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭ７０Ｂは、前述と同様に、非遷移的実体的記録媒体として機能する。ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７０Ａが与えられた検出処理を実行することで、ＰＭの量を検出する量検出部７０Ｍの機能を実現する。量検出部７０Ｍは、素子部４１の電気的特性に基づいてＰＭの量を検出する。詳しくは、量検出部７０Ｍは、制御回路６１から送信された電気信号と、この電気信号とＰＭの量との対応マップ等とから、ＰＭの量を検出する。また、ＥＣＵ７０は、エンジン２０の制御や、ＰＭ捕集フィルタ１５の再生制御を実施する。
　なお、ＥＣＵ７０に搭載したＣＰＵ７０Ａ及びＳＣＵ６０の制御回路６１に搭載したＣＰＵ６０Ａは互いに協働して、後述する図７の温度制御のための処理を行う。
　次に、ＰＭ検出装置８０の作動について説明する。ＰＭ捕集フィルタ１５に何らかの異常が生じて正常な捕集が困難になると、ＰＭ捕集フィルタ１５の下流側に放出されるＰＭの量が急増する。ＥＣＵ７０は、検出したＰＭの量を監視し、正常時よりも明らかに多い場合には、ＰＭ捕集フィルタ１５の異常を判定する。ただし、ＰＭ捕集フィルタ１５が正常であっても、素子部４１におけるＰＭの堆積量が一定量を超える場合には、電極４２，４３間の電気抵抗が小さくなり、ＰＭの検出精度が低下する。そのため、素子部４１にＰＭがある程度堆積した場合には、堆積したＰＭを燃焼させて除去するセンサ再生制御を実施することが望ましい。
　ここで、ＰＭの主成分である煤の燃焼温度は一般に６００℃以上であり、７５０℃以上に加熱すれば、煤を完全に燃焼させて除去できる。また、ＳＯＦの燃焼温度は、一般に４００℃以上である。
　また、アッシュの融点は一般に９００℃以上である。ただし、アッシュが直径数ナノメートル程度の微粒子になると、いわゆる量子サイズ効果により融点が低下することがある。さらに、複数種類のアッシュが混合すると、共晶反応が生じて融点が低下することがある。その結果、アッシュの融点は７５０℃程度まで低下することがあるが、７５０℃以下にまでには低下しにくい。また、煤や可溶性有機成分についても同様の効果により融点が低下することがある。
　本発明者は、煤を完全に燃焼させるために、素子部４１を、例えば７５０℃～８５０℃の温度に加熱すると、微粒子のアッシュが融解して素子部４１に融着するとの知見を得た。ＰＭセンサ５０は、素子部４１の電気的特性に基づいてＰＭの量を検出するため、絶縁性物質のアッシュが素子部４１に融着すると、ＰＭセンサ５０の感度が低下又は喪失する。
　一方、素子部４１を６００℃～７５０℃の温度に加熱した場合、煤が完全に燃焼せず、煤の燃え残りが素子部４１に残るおそれがある。また、素子部４１を６００℃～７５０℃の温度に加熱した場合、煤とＳＯＦが一度に燃焼するため、アッシュが素子部４１から上手く飛んでいかず、アッシュが素子部４１に残留するおそれがある。そこで、第１実施形態では、センサの再生制御において、素子部４１の温度を２段階に分けて加熱する。以下、制御回路６１の各機能について詳細を説明する。
　温度検出部ＯＤは、素子部４１の温度を検出する。具体的には、温度検出部ＯＤは、ヒータ４４の電気抵抗値に基づいて、素子部４１の温度を検出する。ヒータ４４に通電して発熱させると、ヒータ４４の電気抵抗値は変化する。ヒータ４４の温度とヒータ４４の電気抵抗値との間には一定の関係がある。よって、ＳＣＵ６０によりヒータ４４の電気抵抗値を測定し、温度検出部ＯＤは、電気抵抗値の測定値と、予め用意した温度と電気抵抗値との対応関係とから、ヒータ４４の温度を検出する。ヒータ４４の温度は、素子部４１の温度とみなせる。
　あるいは、図１、図４～５に破線で示すように、素子部４１に温度センサ５１（温度検出装置）を設け、温度センサ５１により検出された温度に基づいて、素子部４１の温度を検出してもよい。素子部４１に温度センサ５１を設けることにより、素子部４１の温度を高精度に検出することができる。
　第１温度制御部Ｐ１は、ＰＭ検出期間を除く第１期間において、温度検出ＯＤ部により検出された温度に基づいて、ヒータ４４により、素子部４１を第１温度域に第１期間加熱する。例えば、第１温度制御部Ｐ１は、検出された素子部４１の温度をフィードバックして、素子部４１の温度を第１温度域内の目標温度に制御する。第１温度域は、ＳＯＦが燃焼し且つアッシュが融解しない温度域である。具体的には、第１温度域は、４００℃～６００℃である。ＰＭ検出期間は、素子部４１にＰＭを付着させてＰＭを収集する期間である。
　そして、図６（ｂ）に示すように、第１温度制御部Ｐ１は、第１温度域において目標温度を一定にし、素子部４１の温度が一定の温度例えば５００℃になるように制御する。これにより、素子部４１を、第１温度域内の状況に応じた適切な温度に維持することができる。
　第１温度域４００℃～６００℃は、アッシュの融点が低くなっている場合でも、アッシュの融点よりも低い温度域である。また、素子部４１を第１温度域に加熱すると、煤が燃焼する前にＳＯＦが燃焼し、ＳＯＦの燃焼熱で素子部４１の温度が目標温度よりも高くなることがある。しかしながら、第１温度域の上限値とアッシュの融点の下限値との間に十分なマージンがあるため、燃焼熱で素子部４１の温度が目標温度よりも高くなっても、素子部４１の温度はアッシュの融点よりも低い温度に収まる。よって、素子部４１を第１温度域に加熱すると、ＳＯＦが燃焼して気化するとともに、ＳＯＦの気化に伴い、アッシュが融解しないままＰＭから離脱して素子部４１から飛んでいく。
　また、第１温度域は、排気温度よりも高いことが多い。例えば、ディーゼルエンジンの排気温度は４００℃程度である。よって、第１温度域では、素子部４１から排気の方向へ熱泳動力が働き、アッシュは素子部４１から遠ざかる。したがって、素子部４１を第１温度域に加熱することにより、ＳＯＦは燃焼され、アッシュは素子部４１から引き離される。
　図６（ａ）に示すように、第１期間では、ＳＯＦが燃焼することにより、電極４２，４３間の電気抵抗が大きくなっている。それと同時に、ＰＭセンサ５０の出力は低下するが、煤が電極４２，４３間に堆積したままなので、ＰＭセンサ５０の出力はゼロまで低下していない。
　第２温度制御部Ｐ２は、ＰＭ期間を除く期間である。それは、第１期間の後の第２期間において、温度検出部により検出された温度に基づいて、ヒータ４４により、素子部４１を第２温度域に第２期間加熱する。例えば、第２温度制御部Ｐ２は、検出された素子部４１の温度をフィードバックして、素子部４１の温度を第２温度域の目標温度に制御する。第２温度域は、第１温度域よりも高く且つ煤が燃焼する温度域である。具体的には、第２温度域は、７５０℃～８５０℃である。
　そして、図６（ｂ）に示すように、第２温度制御部Ｐ２は、第１温度制御部Ｐ１と同様に、第２温度域において目標温度を一定にし、素子部４１の温度が一定の温度例えば８００℃となるように制御する。
　第２温度域７５０℃～８５０℃は、煤を完全に燃焼させる温度域である。素子部４１を７５０℃～８５０℃に加熱することにより、素子部４１に堆積した煤は完全に燃焼され、燃え残りがなくなる。また、第２期間に移行した際には、アッシュはＰＭから離脱しているため、素子部４１を第２温度域に加熱しても、アッシュの素子部４１への融着は抑制される。
　図６（ａ）に示すように、第２期間では、煤が燃焼するため、電極４２，４３間の電気抵抗が更に大きくなって非導通状態となり、ＰＭセンサ５０の出力はゼロまで低下している。
　また、第１期間及び第２期間は、冷間始動時のように排気通路１３に凝縮水が存在する期間ではなく、排気通路１３が乾燥している期間である。そのため、素子部４１を第１温度域及び第２温度域に加熱しても、素子部４１が被水割れするおそれがない。排気通路１３が乾燥しているか否かは、例えば、エンジン２０の始動から所定時間経過したか否かで判定すればよい。
　次に、第１実施形態に係るＰＭセンサ５０の再生制御を実施する処理手順について、図７のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン２０が始動して排気通路１３の乾燥が完了した後、エンジン２０が停止するまでの間、ＥＣＵ７０（つまり、ＣＰＵ７０Ａ）及びＳＣＵ６０（つまり、ＣＰＵ６０Ａ）が協働して所定間隔で繰り返し実行する。
　まず、ステップＳ１０において、ヒータ４４をオフにしたまま、素子部４１に付着するＰＭの量の検出を開始する。続いて、ステップＳ１１において、ヒータ４４をオフにしたまま、素子部４１に付着するＰＭの量の検出を完了する（つまり、量検出部７０Ｍの機能が発揮される）。
　続いて、ステップＳ１２において、ヒータ４４をオンにして、ＰＭセンサ５０の素子部４１の再生制御を開始する。まず、ステップＳ１３（第１温度制御部Ｐ１に相当）において、ヒータ４４の電力を制御して、素子部４１を第１温度域内の第１温度に第１期間加熱する。例えば、素子部４１を、５００℃に３０秒間加熱する。これにより、ＰＭに含まれるＳＯＦが燃焼するとともに、アッシュが素子部４１から飛んでいく。
　続いて、ステップＳ１４（第２温度制御部Ｐ２に相当）において、ヒータ４４の電力を制御して、素子部４１を第２温度域内の第２温度に第２期間加熱する。例えば、素子部４１を、８００℃に６０秒間加熱する。これにより、ＰＭに含まれる煤が燃焼し、素子部４１に堆積していたＰＭが除去される。続いて、ステップＳ１５において、再生制御を終了し、ヒータ４４をオフにする。
　以上で本処理を終了する。次の処理サイクルでは、ステップＳ１０の処理から再度開始する。
　次に、第１実施形態に係るＰＭセンサ５０の再生制御を実施した場合、及び従来の一定温度による再生制御を実施した場合において、ＰＭセンサ５０の耐久試験を行った結果について述べる。第１実施形態に係る耐久試験の１サイクルは、５００℃に３０秒間加熱＋８００℃に６０秒間加熱の再生制御→ヒータ４４をオフにして１５秒間冷却→ヒータ４４をオフにして２００秒間ＰＭ検出→ＰＭ検出後３００秒間走行（→再生制御に戻る）、とした。従来の再生制御に係る耐久試験の処理サイクルは、第１実施形態に係る耐久試験の処理サイクルの再生制御を、８００℃で６０秒間加熱とした。どちらの耐久試験においても、ＰＭを１０ｍｇ／ｍ３の平均濃度でエンジン２０から排出させ、ＰＭ検出が２００秒以内に完了できなくなるまでの耐久試験のサイクルの数を比較した。
　その結果、従来の再生制御に係る耐久試験では、１１０サイクルを経過した時点で、ＰＭセンサ５０の感度が低下し、ＰＭ検出が２００秒以内に完了できなくなった。これに対して、第１実施形態に係る耐久試験では、１６０サイクルを経過した時点で、ＰＭセンサ５０の感度が低下し、ＰＭ検出が２００秒以内に完了できなくなった。すなわち、第１実施形態に係る耐久試験では、再生制御における温度を２段階としたことにより、アッシュの素子部４１への融着が抑制され、ＰＭセンサ５０の耐久性が向上している。
　以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
　（１）素子部４１を第２温度域に加熱する前に第１温度域に加熱することにより、煤が燃焼する前にＳＯＦが燃焼する。そして、ＳＯＦの燃焼に伴い、アッシュは融解しないままＰＭから離脱して素子部４１から飛んでいく。よって、素子部４１を第２温度域に加熱する際には、ＰＭからアッシュが離脱しているため、素子部４１を第２温度域に加熱しても、アッシュの素子部４１への融着を抑制しつつ、煤を燃焼させることができる。
　（２）第１温度域を４００℃～６００℃にすることにより、アッシュの融点が低下している場合でも、第１温度域がアッシュの融点よりも低くなる。また、第１温度域が低くなるとともに、ＳＯＦの燃焼に伴う燃焼熱で素子部４１の温度が目標温度よりも高くなっても、アッシュの融点より低い温度に収めることができる。さらに、熱泳動力により、アッシュを素子部４１から遠ざけることができる。よって、第１温度域を４００℃～６００℃にすることにより、再生制御時におけるアッシュの融解を好適に抑制することができる。また、第２温度域を７５０℃～８５０℃にすることにより、第２期間において、煤を確実に燃焼させることができる。
　（３）第１期間及び第２期間は、排気通路１３が乾燥している期間であるため、素子部４１を第１温度域及び第２温度域に加熱しても、素子部４１の被水割れを防止することができる。
　（４）第１温度域及び第２温度域において、素子部４１の温度を一定の温度に制御することにより、適切な温度に素子部４１を維持することができる。
　（５）ヒータ４４の温度とヒータ４４の抵抗値との間には一定の関係があり、ヒータ４４の温度は素子部４１の温度とみなせる。よって、ヒータ４４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。
　（６）素子部４１に温度センサ５１を設けることにより、素子部４１の温度を高精度に検出することができる。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係るＰＭ検出装置８０について、第１実施形態に係るＰＭ検出装置８０と異なる点について説明する。第２実施形態に係るＰＭ検出装置８０は、第１温度制御部Ｐ１及び第２温度制御部Ｐ２による素子部４１の温度制御が、第１実施形態と異なる。
　詳しくは、第１温度制御部Ｐ１は、図８（ｂ）に示すように、第１期間に、第１温度域において目標温度を可変にし、素子部４１の温度が可変するように制御する。例えば、第１温度制御部Ｐ１は、素子部４１の温度を、４００℃から６００℃へ徐々に上昇させる。また、第２温度制御部Ｐ２は、図８（ｂ）に示すように、第２期間に、第２温度域において目標温度を可変にし、素子部４１の温度が可変するように制御する。例えば、第２温度制御部Ｐ２は、素子部４１の温度を、７５０℃から８５０℃へ徐々に上昇させる。
　図８（ｂ）に示すように、第１期間に、素子部４１の温度を４００℃から６００℃へ徐々に上昇させると、ＳＯＦの堆積量が徐々に減少し、図８（ａ）に示すように、ＰＭセンサ５０の出力は徐々に低下する。これにより、ＳＯＦ燃焼時の燃焼熱による過加熱が緩和され、アッシュの素子部４１への融着が第１実施形態よりも更に抑制される。そして、図８（ｂ）に示すように、第２期間に、素子部４１の温度を７５０℃から８５０℃へ徐々に上昇させると、第１実施形態よりも煤の堆積量が緩やかに減少する。これにより、煤の燃焼時の燃焼熱による過加熱が緩和され、アッシュの素子部４１への融着が第１実施形態よりも更に抑制される。そして、ＰＭが除去され、図８（ａ）に示すように、ＰＭセンサ５０の出力がゼロに低下する。
　次に、第２実施形態に係るＰＭセンサ５０の再生制御を実施する処理手順について、図９のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン２０が始動して排気通路１３の乾燥が完了した後、エンジン２０が停止するまでの間、ＥＣＵ７０及びＳＣＵ６０が協働して所定間隔で繰り返し実行する。
　まず、ステップＳ２０からステップＳ２２において、ステップＳ１０からステップＳ１２と同様の処理を行う。
　続いて、ステップＳ２３において、ヒータ４４の電力を制御して、素子部４１を第１温度域内の温度に可変制御する。例えば、素子部４１を、４００℃～６００℃内の温度で変化させながら、３０秒間加熱する。続いて、ステップＳ２４において、ヒータ４４の電力を制御して、素子部４１を第２温度域内の温度に可変制御する。例えば、素子部４１を、７５０℃～８５０℃内の温度で変化させながら、６０秒間加熱する。続いて、ステップＳ２５において、再生制御を終了し、ヒータ４４をオフにする。以上で本処理を終了する。
　第２実施形態について、第１実施形態と同様の耐久試験を行った結果、１８０サイクルを経過した時点で、ＰＭセンサ５０の感度が低下し、ＰＭ検出が２００秒以内に完了できなくなった。すなわち、第２実施形態によれば、第１実施形態よりも更にＰＭセンサ５０の耐久性が向上する。
　以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（３）及び（５）～（６）と同様の効果を奏するとともに、更に、アッシュの素子部４１への融着を抑制し、ＰＭセンサ５０の耐久性を向上させることができる。また、第１温度域及び第２温度域において、素子部４１の温度を可変に制御することにより、素子部４１の温度が排気の影響を受けて可変しても、素子部４１の温度制御がし易い。
　（第２実施形態の変形例）
　第１期間の第１温度域及び第２期間の第２温度域のうちの一方において、第１実施形態と同様に、素子部４１を一定の温度に加熱するようにしてもよい。
　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態に係るＰＭ検出装置８０について、第１実施形態に係るＰＭ検出装置８０と異なる点について説明する。第１実施形態に係るＰＭ検出装置８０は、第１期間となった際に、常に第１温度制御部Ｐ１による温度制御を開始した。これに対して、第３実施形態に係るＰＭ検出装置８０は、第１期間となった際に、所定の条件を満たす場合に限って、第１温度制御部Ｐ１による温度制御を開始する。
　詳しくは、第１温度制御部Ｐ１は、量検出部７０Ｍにより検出されたＰＭの量が所定閾値に到達したことを条件として、素子部４１を第１温度域に加熱する。素子部４１におけるＰＭの堆積量が多いほど、ＰＭに含まれるアッシュの量も多くなり、アッシュが融解した際におけるＰＭセンサ５０の感度の低下が大きくなる。
　よって、素子部４１におけるＰＭの堆積量が所定閾値に到達した場合には、アッシュが融解した際に、ＰＭセンサ５０の感度の低下が比較的大きい。そのために、第１実施形態と同様に、再生制御において、素子部４１を２段階の温度域に加熱する。また、素子部４１におけるＰＭの堆積量が所定閾値未満である場合には、アッシュが融解したとしてもＰＭセンサ５０の感度の低下が比較的小さい。そのために、従来の再生制御のように、素子部４１を一定温度で加熱する。
　素子部４１におけるＰＭの堆積量が所定閾値に到達したか否かは、ＰＭセンサ５０の出力電流が、閾値電流以上か否かで判定する。閾値電流は、例えば１５μＡである。図１０（ａ）に実線で示すように、ＰＭの堆積量が所定閾値以上の場合には、ＰＭセンサ５０の出力電流は閾値電流以上となる。この場合、図１０（ｂ）に実線で示すように、再生制御時の第１期間において、例えば５００℃で素子部４１を３０秒間加熱し、第２期間において、例えば８００℃で素子部４１を６０秒間加熱する。図１０（ａ）に破線で示すように、ＰＭの堆積量が所定閾値未満の場合には、ＰＭセンサ５０の出力電流は閾値電流未満となる。この場合、図１０（ｂ）に破線で示すように、再生制御の期間中、素子部４１を例えば８００℃の一定温度で９０秒間加熱する。
　次に、第３実施形態に係るＰＭセンサ５０の再生制御を実施する処理手順について、図１１のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン２０が始動して排気通路１３の乾燥が完了した後、エンジン２０が停止するまでの間、ＥＣＵ７０及びＳＣＵ６０が協働して所定間隔で繰り返し実行する。
　まず、ステップＳ３０及びステップＳ３１において、ステップＳ１０及びステップＳ１１と同様の処理を行う。
　続いて、ステップＳ３２において、ＰＭ量の検出値が閾値以上か否か判定する。すなわち、ＰＭセンサ５０の出力電流が閾値電流以上か否か判定する。ステップＳ３２において、ＰＭ量の検出値が閾値以上の場合、アッシュの素子部４１への融着を抑制するため、素子部４１を２段階の温度域に加熱する再生制御を実施する。具体的には、ステップＳ３３からステップＳ３５において、ステップＳ１２からステップＳ１４と同様の処理を行い、ステップＳ３８において、再生制御を終了してヒータ４４をオフにし、本処理を終了する。なお、ステップＳ３２，Ｓ３４，及びＳ３７が第１温度制御部Ｐ１に相当し、ステップＳ３５が第２温度制御部Ｐ２に相当する。
　一方、ステップＳ３２において、ＰＭ量の検出値が閾値未満の場合、アッシュの素子部４１への融着を抑制する必要がないと判断して、従来の再生制御を実施する。具体的には、ステップＳ３６において、ヒータ４４をオンにして再生制御を開始し、ステップＳ３７において、素子部４１を一定温度に加熱する。そして、ステップＳ３８において、再生制御を終了してヒータ４４をオフにし、本処理を終了する。
　以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（６）と同様の効果を奏するとともに、ＰＭの検出量が閾値に到達したことを条件として、素子部４１を２段階の温度域に加熱する再生制御が実施される。これにより、アッシュの素子部４１への融着により、ＰＭセンサ５０の感度の比較的大きな低下が懸念される場合に、アッシュの素子部４１への抑制処理が実施される。よって、アッシュの素子部４１への融着の抑制をより効果的に実施できる。
　（第３実施形態の変形例）
　ステップＳ３３からステップＳ３５において、第２実施形態のように、第１温度域及び第２温度域において素子部４１の温度が可変するように制御してもよい。あるいは、第１温度域及び第２温度域のいずれか一方で、素子部４１の温度が可変するように制御してもよい。
　（第４実施形態）
　次に、第４実施形態に係るＰＭ検出装置８０について、第１実施形態に係るＰＭ検出装置８０と異なる点について説明する。素子部４１の温度は、排気の影響を受けて変化する。そこで、第４実施形態では、第１温度制御部Ｐ１及び第２温度制御部Ｐ２は、エンジン２０の排気の情報に基づいて、素子部４１を加熱する温度を設定する。
　詳しくは、第１温度制御部Ｐ１は、排気の情報に基づいて、ヒータ４４の温度を設定する。排気の情報は、排気温度や排気流速等である。排気温度は温度センサ１６により検出される。排気流速は、エンジン２０の吸気量、吸気圧、排気通路１３の断面積等から算出される。素子部４１の温度は、排気温度の影響を受けて変化し、排気流速が大きいほど排気温度の影響を大きく受ける。例えば、排気温度が素子部４１の温度よりも低く、排気流速が比較的大きい場合は、素子部４１の温度はヒータ４４の温度よりも低くなりやすい。よって、この場合、第１温度制御部Ｐ１は、ヒータ４４の温度を素子部４１の目標温度よりも高めに設定する。
　第２温度制御部Ｐ２も、第１温度制御部Ｐ１と同様に、排気の情報に基づいて、ヒータ４４の温度を設定する。
　次に、第４実施形態に係るＰＭセンサ５０の再生制御を実施する処理手順について、図１２のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン２０が始動して排気通路１３の乾燥が完了した後、エンジン２０が停止するまでの間、ＥＣＵ７０及びＳＣＵ６０が協働して所定間隔で繰り返し実行する。
　まず、ステップＳ４０～ステップＳ４２において、ステップＳ１０～ステップＳ１２と同様の処理を行う。
　続いて、ステップＳ４３において、排気温度や排気流速等の排気情報を取得する。続いて、ステップＳ４４において、ステップＳ４３で取得した排気情報に基づいて、素子部４１を第１温度域内の第１温度に加熱するように、ヒータ４４の温度を設定し、素子部４１を第１期間加熱する。
　続いて、ステップＳ４５において、排気情報を取得する。続いて、ステップＳ４６において、ステップＳ４５で取得した排気情報に基づいて、素子部４１を第２温度域内の第２温度に加熱するように、ヒータ４４の温度を設定し、素子部４１を第２期間加熱する。
　続いて、ステップＳ４７において、再生制御を終了し、ヒータ４４をオフにする。以上で本処理を終了する。
　以上説明した第４実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（６）と同様の効果を奏するとともに、排気の情報に基づいて、素子部４１を加熱する温度を設定することにより、素子部４１の温度が目標温度となるように精度良く制御することができる。ひいては、アッシュの素子部４１への融着をより抑制することができる。
　（第４実施形態の変形例）
　・ステップＳ４４及びステップＳ４６において、第２実施形態のように、第１温度域及び第２温度域において素子部４１の温度が可変するように制御してもよい。あるいは、第１温度域及び第２温度域のいずれか一方で、素子部４１の温度が可変するように制御してもよい。
　・第３実施形態のように、ＰＭの検出量が閾値に到達したことを条件として、素子部４１を２段階の温度域に加熱する再生制御を実施してもよい。第４実施形態に、第２実施形態及び第３実施形態を適宜組み合わせて実施してもよい。
　（他の実施形態）
　・ＳＣＵ６０の制御回路６１の機能はＥＣＵ７０が実現し、ヒータ電源６２はＥＣＵ７０に組み込まれていてもよい。すなわち、電極４２，４３及びヒータ４４はＥＣＵ７０に直接接続されており、ＰＭ検出装置８０はＰＭセンサ５０とＥＣＵ７０とから構成されていてもよい。また、ＰＭ検出装置８０が、ＳＣＵ６０及びＥＣＵ７０を備える場合も、制御回路６１の一部の機能をＥＣＵ７０が実現してもよいし、ＥＣＵ７０の一部の機能を制御回路６１が実現してもよい。また、ＥＣＵ７０は、エンジン２０の制御を実施なくてもよい。
　・ＰＭ検出装置８０の適用対象は、ディーゼルエンジンに限定されない。ＰＭ検出装置８０は、ガソリン、アルコール、天然ガス等の燃料を用いるエンジンに対しても適用できる。
　２０…エンジン、４１…素子部、４４…ヒータ、６０…ＳＣＵ、７０…ＥＣＵ、８０…ＰＭ検出装置。

Claims (12)

  1. 　内燃機関（２０）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量検出部（７０Ｍ）と、
    　前記素子部の温度を検出する温度検出部（ＯＤ）と、
    　前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く第１期間において、前記温度検出部により検出された前記温度に基づいて、前記ヒータにより、前記素子部を、前記粒子状物質に含まれる可溶性有機成分が燃焼し、且つ前記粒子状物質に含まれる灰成分が融解しない第１温度域に加熱する第１温度制御部（Ｐ１）と、
    　前記素子部に前記粒子状物質を付着させる期間を除く期間であって、前記第１期間の後の第２期間において、前記温度検出部により検出された前記温度に基づいて、前記ヒータにより、前記素子部を、前記第１温度域よりも高く且つ前記粒子状物質に含まれる煤が燃焼する第２温度域に加熱する第２温度制御部（Ｐ２）と、を備える、粒子状物質検出装置。
  2. 　前記第１温度域は４００℃～６００℃であり、
    　前記第２温度域は７５０℃～８５０℃である請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
  3. 　前記第１温度制御部（Ｐ１）は、前記量検出部（７０Ｍ））により検出された前記量が所定閾値に到達したか否かを判断する判断部（Ｓ３２）を備え、
    　前記第１温度制御部（Ｐ１）は、この判断部（Ｓ３２）が、前記量が前記所定閾値に到達したこと判断した場合に、前記素子部を前記第１温度域に加熱する請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
  4. 　前記第１期間及び前記第２期間は、前記内燃機関の排気通路（１３）が乾燥している期間である請求項１～３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  5. 　前記第１温度制御部（Ｐ１）は、前記第１温度域において、前記素子部の温度を一定の温度になるように制御する請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  6. 　前記第１温度制御部（Ｐ１）は、前記第１温度域において、前記素子部の温度を可変するように制御する請求項１～４のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  7. 　前記第２温度制御部（Ｐ２）は、前記第２温度域において、前記素子部の温度を一定の温度になるように制御する請求項１～６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  8. 　前記第２温度制御部（Ｐ２）は、前記第２温度域において、前記素子部の温度を可変するように制御する請求項１～６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  9. 　前記第１温度制御部（Ｐ１）は、前記内燃機関の排気の情報に基づいて、前記ヒータの温度を設定する請求項１～８のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  10. 　前記第２温度制御部（Ｐ２）は、前記内燃機関の排気の情報に基づいて、前記ヒータの温度を設定する請求項１～９のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  11. 　前記温度検出部は、前記ヒータの抵抗値に基づいて、前記素子部の温度を検出する請求項１～１０のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
  12. 　前記素子部に設けられた温度検出装置（５１）を備え、
    　前記温度検出部は、前記温度検出装置により検出された温度に基づいて、前記素子部の温度を検出する請求項１～１１のいずれか１項に記載の粒子状物質検出装置。
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