(実施形態)
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1は、実施形態の微粒子検知システム1を搭載した車両AMの概略図である。図2は、実施形態にかかる微粒子検知システム1に含まれる微粒子センサ10の断面図である。図3は、微粒子センサ10の分解斜視図である。図4は、実施形態にかかる微粒子検知システム1の概略図である。但し、図4では、微粒子検知システム1に含まれる制御装置200を中心に図示し、微粒子センサ10については一部(電線161等)のみを図示している。なお、図2において、微粒子センサ10の長手方向GHのうち、ガス取入管25が配置された側(図2において下方)を先端側GS、これと反対側の電線161,163等が延出する側(図2において上方)を基端側GKとする。
微粒子検知システム1は、図1に示すように、微粒子センサ10と制御装置200とからなる。この微粒子検知システム1では、微粒子センサ10が、車両AMに搭載されたエンジンENG(内燃機関)の排気管EP(通気管)に装着され、排気管EP内を流通する排気ガスEG(被測定ガス)中の微粒子S(煤など)の量を検知する。なお、微粒子検知システム1は、エンジンENGを制御するエンジン制御ユニットECU(内燃機関制御装置)とCANバスを通じて接続されている。また、微粒子センサ10よりも上流側には、排気浄化フィルタPFを内部に有する排気浄化装置DPFが設けられている。
次に、微粒子センサ10について詳細に説明する。微粒子センサ10は、接地電位PVE(車両AMのシャーシGND)とされた金属製の排気管EPに装着される(図2参照)。具体的には、微粒子センサ10のうち内側金具20の先端側部分をなすガス取入管25が、排気管EPに設けられた取付開口EPOを通じて排気管EP内に配置される。そして、排気管EP内を流通する排気ガスEGのうち、ガス取入口65cからガス取入管25内に取り入れた取入ガスEGI中の微粒子Sに、イオンCPを付着させて帯電微粒子SCとし、取入ガスEGIと共にガス排出口60eから排気管EPへ排出する(図7参照)。
この微粒子センサ10は、ガス取入管25を有する内側金具20、外側金具70、第1絶縁スペーサ100、第2絶縁スペーサ110、セラミック素子120、4本の電線161,163,173,175等から構成される(図2及び図3参照)。
このうち内側金具20は、後述する電線161,163の内側外部導体161g1,163g1を通じて制御装置200に接続されており、接地電位PVEとは異なる第1電位PV1とされる。この内側金具20は、主体金具30と、内筒40と、内筒接続金具50と、ガス取入管25(内側プロテクタ60及び外側プロテクタ65)とから構成される。
主体金具30は、長手方向GHに延びる円筒状でステンレス製の部材である。この主体金具30は、径方向外側に膨出する円環状のフランジ部31を有する。主体金具30の内部には、カップ状の金属カップ33が配置されている。この金属カップ33の底部には孔が形成されており、この孔に後述するセラミック素子120が挿通されている。
主体金具30の内部には、セラミック素子120の周囲に、先端側GSから基端側GKに向けて順に、円筒状でアルミナからなるセラミックホルダ34と、滑石粉末を圧縮して構成した第1粉末充填層35及び第2粉末充填層36と、円筒状でアルミナからなるセラミックスリーブ37とが配置されている。なお、セラミックホルダ34及び第1粉末充填層35は、金属カップ33内に位置している。更に、主体金具30のうち最も基端側GKの加締部30kkは、径方向内側に加締められて、加締リング38を介してセラミックスリーブ37を先端側GSに押圧している。
内筒40は、長手方向GHに延びる円筒状でステンレス製の部材である。内筒40の先端部は、径方向外側に突出する円環状のフランジ部41となっている。内筒40は、主体金具30の基端側部30kに外嵌され、フランジ部41をフランジ部31に重ねた状態で、基端側部30kにレーザ溶接されている。
内筒40の内部には、先端側GSから基端側GKに向けて順に、絶縁ホルダ43と、第1セパレータ44と、第2セパレータ45とが配置されている。このうち絶縁ホルダ43は、円筒状で絶縁体からなり、セラミックスリーブ37に基端側GKから当接している。この絶縁ホルダ43には、セラミック素子120が挿通されている。
また、第1セパレータ44は、絶縁体からなり、挿通孔44cを有する。この挿通孔44c内には、セラミック素子120が挿通されると共に、放電電位端子46の先端側部分が収容されている。そして、この挿通孔44c内において、セラミック素子120の後述する放電電位パッド135(図5及び図6参照)に、放電電位端子46が接触している。
一方、第2セパレータ45は、絶縁体からなり、第1挿通孔45c及び第2挿通孔45dを有する。第1挿通孔45c内に収容された放電電位端子46の基端側部分と、後述する放電電位リード線162の先端部とは、この第1挿通孔45c内で接続されている。
また、第2挿通孔45d内には、セラミック素子120の素子基端部120kが配置されているほか、補助電位端子47、第2−1ヒータ端子48及び第2−2ヒータ端子49が互いに絶縁された状態で収容されている。そして、この第2挿通孔45d内において、セラミック素子120の補助電位パッド147に補助電位端子47が接触し、セラミック素子120の第2−1ヒータパッド156に第2−1ヒータ端子48が接触し、セラミック素子120の第2−2ヒータパッド158に第2−2ヒータ端子49が接触している(図2、図3、図5、図6参照)。
さらに、第2挿通孔45d内には、後述する補助電位リード線164、第2−1ヒータリード線174及び第2−2ヒータリード線176の先端部がそれぞれ配置されている。そして、第2挿通孔45d内において、補助電位端子47と補助電位リード線164が接続され、第2−1ヒータ端子48と第2−1ヒータリード線174が接続され、第2−2ヒータ端子49と第2−2ヒータリード線176が接続されている。
内筒接続金具50は、ステンレス製の部材で、第2セパレータ45の基端側部分を包囲しつつ、内筒40の基端部40kに外嵌され、内筒接続金具50の先端部50sが内筒40の基端部40kにレーザ溶接されている。この内筒接続金具50には、4本の電線161,163,173,175がそれぞれ挿通されている。このうち、後述する三重同軸ケーブルの電線161,163の内側外部導体161g1,163g1は、この内筒接続金具50に接続されている。
ガス取入管25は、内側プロテクタ60(第1放電電極)と外側プロテクタ65とから構成される。内側プロテクタ60は、有底円筒状でステンレス製の部材であり、外側プロテクタ65は、円筒状でステンレス製の部材である。外側プロテクタ65は、内側プロテクタ60の径方向周囲に配置されている。これら内側プロテクタ60及び外側プロテクタ65は、主体金具30の先端部30sに外嵌され、その先端部30sにレーザ溶接されている。ガス取入管25は、主体金具30から先端側GSに突出するセラミック素子120の先端側部分を径方向外側から包囲しており、セラミック素子120を水滴や異物から保護する一方、排気ガスEGをセラミック素子120の周囲に導く。
外側プロテクタ65の先端側部分には、排気管EP内を流通する排気ガスEGを、外側プロテクタ65の内部に取り入れるための、矩形状のガス取入口65cが複数形成されている。また、内側プロテクタ60には、排気管EP内を流通する排気ガスEGのうち外側プロテクタ65内に取り入れた取入ガスEGIを、更に内側プロテクタ60の内部に導入するため、その基端側部分に円形の第1内側導入孔60cが複数形成されている。また、内側プロテクタ60の先端側部分にも、三角形の第2内側導入孔60dが複数形成されている。更に、内側プロテクタ60の底部には、取入ガスEGIを排気管EPへ排出するための円形のガス排出口60eが形成されている。このガス排出口60eを含む内側プロテクタ60の先端部60sは、外側プロテクタ65の先端開口部65sから先端側GSに突出している。
ここで、微粒子センサ10の使用時における内側プロテクタ60及び外側プロテクタ65への排気ガスEGの取り入れ及び排出について、図7を参照して説明する。なお、図7において、排気ガスEGは、排気管EP内を左から右に向かって流通している。この排気ガスEGが、外側プロテクタ65及び内側プロテクタ60の周囲を通ると、その流速が内側プロテクタ60のガス排出口60eの外側で上昇し、ベンチュリ効果により、ガス排出口60e付近に負圧が生じる。
すると、この負圧により内側プロテクタ60内に取り入れられた取入ガスEGIが、ガス排出口60eから排気管EPへ排出される。これと共に、外側プロテクタ65のガス取入口65c周囲の排気ガスEGが、このガス取入口65cから外側プロテクタ65内に取り入れられ、更に、内側プロテクタ60の第1内側導入孔60cを通じて、内側プロテクタ60内に取り入れられる。そして、内側プロテクタ60内の取入ガスEGIは、ガス排出口60eから排出される。このため、内側プロテクタ60内には、破線矢印で示すように、基端側GKの第1内側導入孔60cから先端側GSのガス排出口60eに向けて流れる取入ガスEGIの気流が生じる。
次に、外側金具70について説明する。図2及び図3に示すように、外側金具70は、円筒状で金属からなり、内側金具20の径方向周囲を内側金具20とは離間した状態で囲むと共に、接地電位PVEとされた排気管EPに装着されて接地電位PVEとされる。外側金具70は、取付金具80と外筒90とから構成される。
取付金具80は、長手方向GHに延びる円筒状で、ステンレス製の部材である。この取付金具80は、内側金具20のうち主体金具30及び内筒40の先端側部分の径方向周囲に、これらとは離間して配置されている。この取付金具80は、径方向外側に膨出して外形六角形状をなすフランジ部81を有する。また、取付金具80の内側には、段状をなす段状部83が設けられている。また、取付金具80のうちフランジ部81よりも先端側GSの先端側部80sの外周には、排気管EPへの固定に用いる雄ネジ(不図示)が形成されている。微粒子センサ10は、この先端側部80sの雄ネジによって、排気管EPに別途固定された金属製の取付用ボスBOに取り付けられ、この取付用ボスBOを介して排気管EPに固定される(図2参照)。
取付金具80と内側金具20との間には、後述する第1絶縁スペーサ100及び第2絶縁スペーサ110が配置されている。取付金具80のうち最も基端側GKの加締部80kkは、径方向内側に加締められて、線パッキン87を介して第2絶縁スペーサ110を先端側GSに押圧している。
外筒90は、長手方向GHに延びる筒状で、ステンレス製の部材である。この外筒90の先端部90sは、取付金具80の基端側部80kに外嵌され、この基端側部80kにレーザ溶接されている。外筒90のうち基端側GKに位置する小径部91の内部には、外筒接続金具95が配置され、更にその基端側GKには、フッ素ゴム製のグロメット97が配置されている。これら外筒接続金具95及びグロメット97には、後述する4本の電線161,163,173,175がそれぞれ挿通されている。これらのうち、後述する三重同軸ケーブルの電線161,163の外側外部導体161g2,163g2は、それぞれ外筒接続金具95に接続されている。この外筒接続金具95は、外筒90の小径部91と共に加締めによって径方向内側に縮径され、これにより外筒接続金具95及びグロメット97は、外筒90の小径部91内に固定されている。
次に、第1絶縁スペーサ100について説明する。第1絶縁スペーサ100は、アルミナからなり、長手方向GHに延びる円筒状をなしている(図2及び図3参照)。この第1絶縁スペーサ100は、内側金具20と外側金具70との間に介在して両者を電気的に絶縁する。具体的には、内側金具20のうち主体金具30及び内筒40の先端側部分と、外側金具70のうち取付金具80との間に配置されている。この第1絶縁スペーサ100は、先端側GSに位置する径小なスペーサ先端側部101と、基端側GKに位置する径大なスペーサ基端側部103と、これらの間を結ぶスペーサ中間部102とからなる。
スペーサ中間部102は、先端側GSを向く外側段面(スペーサ当接面)102sと、基端側GKを向く内側段面102kとを有する(図3参照)。これら外側段面102s及び内側段面102kは、いずれも第1絶縁スペーサ100の周方向に延びる円環状をなす。外側段面102sは、取付金具80の段状部83に、基端側GKから全周にわたり当接している。一方、内側段面102kには、主体金具30のフランジ部31が基端側GKから当接している。
次に、第2絶縁スペーサ110について説明する。この第2絶縁スペーサ110は、長手方向GHに延びる筒状でアルミナ製の部材である(図2及び図3参照)。第2絶縁スペーサ110は、内側金具20と外側金具70との間に介在して両者を電気的に絶縁する。具体的には、第2絶縁スペーサ110は、内側金具20のうち内筒40の先端側部分と、外側金具70のうち取付金具80との間に配置されている。この第2絶縁スペーサ110は、先端側GSに位置する先端側部111と、基端側GKに位置する基端側部113とからなる。
このうち先端側部111は、基端側部113よりも外径が小さく肉薄とされている。この先端側部111は、第1絶縁スペーサ100のスペーサ基端側部103と内筒40との間に配置されている。一方、基端側部113は、第1絶縁スペーサ100のスペーサ基端側部103よりも基端側GKに位置し、取付金具80と内筒40との間に配置されている。
前述のように、取付金具80の加締部80kkは、線パッキン87を介して第2絶縁スペーサ110を先端側GSに押圧している。これにより、第2絶縁スペーサ110の先端側部111は、内筒40のフランジ部41及び主体金具30のフランジ部31を先端側GSに押圧する。更にこれらのフランジ部41,31は、第1絶縁スペーサ100のスペーサ中間部102を先端側GSに押圧して、このスペーサ中間部102が、取付金具80の段状部83に係合する。かくして、第1絶縁スペーサ100及び第2絶縁スペーサ110が、内側金具20(主体金具30及び内筒40の先端側部分)と外側金具70(取付金具80)との間に固定されている。
次に、セラミック素子120について説明する。このセラミック素子120は、長手方向GHに延びる板状でアルミナからなる絶縁性のセラミック基体121を有している(図5、図6参照)。このセラミック基体121内には、放電電極体130(第2放電電極)の一部、補助電極体140及び素子用ヒータ150が埋設されており、これらがセラミック基体121と一体焼結されている。
具体的には、セラミック基体121は、アルミナグリーンシート由来のアルミナからなる3つのセラミック層122,123,124を積層してなり、これらの層間には印刷により形成されたアルミナからなる2つの絶縁被覆層125,126がそれぞれ介在している。このうちセラミック層122及び絶縁被覆層125は、セラミック層123,124及び絶縁被覆層126よりも、先端側GS及び基端側GKでそれぞれ長手方向GHに短くされている。そして、絶縁被覆層125とセラミック層123の間に放電電極体130が配置されている。また、セラミック層123と絶縁被覆層126の間に補助電極体140が配置され、絶縁被覆層126とセラミック層124の間に素子用ヒータ150が配置されている。
放電電極体130(第2放電電極)は、長手方向GHに延びる形態を有しており、先端側GSに位置する針状の針状電極部131と、基端側GKに位置する放電電位パッド135と、これらの間を結ぶリード部133とからなる。針状電極部131は、白金線からなる。一方、リード部133及び放電電位パッド135は、パターン印刷されたタングステンからなる。放電電極体130のうち、針状電極部131の基端側部131kとリード部133の全体は、セラミック基体121内に埋設されている。これにより、放電電極体130は、セラミック基体121(絶縁体)に保持される(図5参照)。
一方、針状電極部131のうち先端側部131sは、セラミック基体121のうち、セラミック層122よりも先端側GSで、セラミック基体121から露出(突出)している(図5参照)。また、放電電位パッド135は、セラミック基体121のうち、セラミック層122よりも基端側GKで露出している。この放電電位パッド135には、前述したように、第1セパレータ44の挿通孔44c内で放電電位端子46が接触する。このように、放電電極体130の一部(針状電極部131の先端側部131s、及び、放電電位パッド135)は、セラミック基体121から露出している。
補助電極体140は、長手方向GHに延びる形態を有しており、パターン印刷により形成されて、その全体がセラミック基体121内に埋設されている。この補助電極体140は、先端側GSに位置し、矩形状をなす補助電極部141と、この補助電極部141に接続し基端側GKに延びるリード部143とからなる。リード部143の基端部143kは、絶縁被覆層126の貫通孔126cを通じて、セラミック層124の一方の主面124aに形成された導通パターン145に接続している。更に、この導通パターン145は、セラミック層124に貫通形成されたスルーホール導体146を通じて、セラミック層124の他方の主面124bに形成された補助電位パッド147に接続している。この補助電位パッド147には、前述したように、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で補助電位端子47が接触する。
素子用ヒータ150は、パターン印刷により形成されて、その全体がセラミック基体121内に埋設されている。素子用ヒータ150は、先端側GSに位置しこのセラミック素子120を加熱する発熱抵抗体151と、この発熱抵抗体151の両端に接続し基端側GKに延びる一対のヒータリード部152,153とからなる。一方のヒータリード部152の基端部152kは、セラミック層124に貫通形成されたスルーホール導体155を介して、セラミック層124の他方の主面124bに形成された第2−1ヒータパッド156に接続している。この第2−1ヒータパッド156には、前述したように、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で第2−1ヒータ端子48が接触する。また、他方のヒータリード部153の基端部153kは、セラミック層124に貫通形成されたスルーホール導体157を介して、セラミック層124の他方の主面124bに形成された第2−2ヒータパッド158に接続している。この第2−2ヒータパッド158には、前述したように、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で第2−2ヒータ端子49が接触する。
次に、電線161,163,173,175について説明する。これら4本の電線のうち、2本の電線161,163は、三重同軸ケーブル(トライアキシャルケーブル)であり、残り2本の電線173,175は、細径で単芯の絶縁電線である。
このうち電線161は、芯線(中心導体)として放電電位リード線162を有し、この放電電位リード線162は、前述のように、第2セパレータ45の第1挿通孔45c内で放電電位端子46に接続している。また、電線163は、芯線(中心導体)として補助電位リード線164を有し、この補助電位リード線164は、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で補助電位端子47に接続している。また、これらの電線161,163の同軸二重の外部導体のうち、内側外部導体161g1,163g1は、内側金具20の内筒接続金具50に接続しており、第1電位PV1とされる。一方、外側外部導体161g2,163g2は、外側金具70に導通する外筒接続金具95に接続しており、接地電位PVEとされる。
また、電線173は、芯線として第2−1ヒータリード線174を有する。この第2−1ヒータリード線174は、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で第2−1ヒータ端子48に接続している。また、電線175は、芯線として第2−2ヒータリード線176を有する。この第2−2ヒータリード線176は、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で第2−2ヒータ端子49に接続している。
次に、制御装置200について説明する。制御装置200は、図4に示すように、微粒子センサ10の電線161,163,173,175に接続されており、微粒子センサ10を制御する。具体的には、微粒子センサ10を駆動すると共に、後述する信号電流Isを検知する。この制御装置200は、電源配線BCを通じて外部のバッテリBTで駆動される。また、制御装置200は、通信線CCを介して内燃機関を制御するエンジン制御ユニットECUと通信可能となっている。
制御装置200は、マイクロコンピュータなどの電子回路部品により構成されており、電圧出力部250と計測制御部280とを有する。このうち、電圧出力部250は、放電電圧出力部210と補助電圧出力部240とを有する。また、計測制御部280は、判定部220と電圧低減指示部230と微粒子検知部260とヒータ通電部270とを有する。
放電電圧出力部210は、内側プロテクタ60(第1放電電極)とセラミック素子120の放電電極体130(第2放電電極)との間にコロナ放電を発生させるための放電電圧(第1電圧)を出力する。具体的には、放電電圧出力部210は、放電電極体130(第2放電電極)に第2電位PV2(第1電位PV1よりも高電位の正電位)を印加する。これにより、第1電位PV1とされる内側プロテクタ60(第1放電電極)と放電電極体130(第2放電電極)との間に第1電圧を印加して、内側プロテクタ60と放電電極体130との間でコロナ放電を発生させて、放電電極体130(第2放電電極)の周囲にコロナを発生させる。
補助電圧出力部240は、補助電極体140に補助電極電位PV3を印加する。なお、補助電極電位PV3は、第1電位PV1に対して、正の直流高電位であるが、第2電位PV2のピーク電位よりも低い電位とされる。
判定部220は、微粒子センサ10に届く(接触する)排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(本実施形態では600℃)以上になると予測できる予測条件が成立したか否かの判定を行う。具体的には、判定部220は、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であることを示す再生中信号SRがECUから出力されると、通信線CC(具体的にはCANバス)を介して再生中信号SRをECUから受信する(図4参照)。
ところで、排気浄化装置DPFの排気浄化フィルタPFを再生させるフィルタ再生処理中には、付着したカーボン粒子が燃焼し、600℃以上(例えば、700℃〜900℃)の排気ガスEGが排出される。即ち、フィルタ再生処理中には、高温の排気ガスEGが、排気浄化装置DPFから排出され続ける。このため、フィルタ再生処理中は、微粒子センサ10に届く排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上になると予測できる。従って、判定部220は、再生中信号SRを受信したか否かによって、前記予測条件が成立したか否かを判定する。
電圧低減指示部230は、判定部220において再生中信号SRを受信したと判定された場合、放電電圧出力部210に対し、放電電圧出力部210において出力する電圧を、第1電圧(=第2電位PV2−第1電位PV1)よりも低い第2電圧に低減させる指示をする。なお、本実施形態では、第2電圧を、微粒子センサ10に届いた排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上になった状態で、放電電極体130と内側プロテクタ60(またはこれと同電位の部材)との間でスパーク放電が生じない大きさとする。具体的には、第2電圧=0Vとする。従って、電圧低減指示部230は、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。
微粒子検知部260は、後述する第1電位PV1と接地電位PVEとの間を流れる信号電流Isを検知する。そして、微粒子検知部260は、信号電流Isの大きさに基づいて、排気ガスEG中に含まれる微粒子Sの量を検知する。
また、ヒータ通電部270は、PWM制御により、セラミック素子120の素子用ヒータ150に通電して、素子用ヒータ150を発熱させる。
次いで、微粒子検知システム1の電気的機能及び動作について説明する。
セラミック素子120の放電電極体130は、電線161の放電電位リード線162を介して、制御装置200(放電電圧出力部210)に接続されており、第2電位PV2とされる(図4〜図6参照)。一方、セラミック素子120の補助電極体140は、電線163の補助電位リード線164を介して、制御装置200(補助電圧出力部240)に接続されており、補助電極電位PV3とされる。更に、内側金具20は、電線161,163の内側外部導体161g1,163g1を介して、制御装置200に接続されており、第1電位PV1とされる(図2〜図4参照)。加えて、外側金具70は、電線161,163の外側外部導体161g2,163g2を介して、制御装置200に接続されており、接地電位PVEとされる。
ここで、放電電極体130(第2放電電極)の針状電極部131に、制御装置200の放電電圧出力部210から、電線161の放電電位リード線162、放電電位端子46、及び放電電位パッド135を通じて、正の高電圧(例えば、1〜2kV)の第2電位PV2を印加する。すると、この針状電極部131の針状先端部131ss(第2放電電極)と、第1電位PV1とされた内側プロテクタ60(第1放電電極)との間に第1電圧が印加され、針状先端部131ssと内側プロテクタ60との間でコロナ放電が発生し、針状先端部131ssの周囲でイオンCP(陽イオン)が生成される(図7参照)。
前述したように、ガス取入管25の作用により、内側プロテクタ60内には、排気ガスEGが取り入れられ、セラミック素子120付近において、基端側GKから先端側GSに向かう取入ガスEGIの気流が生じている。このため、生成されたイオンCPは、取入ガスEGI中の微粒子Sに付着する。これにより、微粒子Sは、正に帯電した帯電微粒子SCとなって、取入ガスEGIと共に、ガス排出口60eに向けて流れ、排気管EPへ排出される(図7参照)。
一方、補助電極体140の補助電極部141には、制御装置200の補助電圧出力部240から、電線163の補助電位リード線164、補助電位端子47、及び補助電位パッド147を通じて、所定の電位(例えば、100〜200Vの正の直流電位)とされた補助電極電位PV3が印加される。これにより、生成したイオンCPのうち、微粒子Sに付着しなかった浮遊イオンCPFに、補助電極部141からその径方向外側の内側プロテクタ60(捕集極)に向かう斥力を与える。そして、浮遊イオンCPFを、捕集極(内側プロテクタ60)の各部に付着させて捕集を補助する(図7参照)。かくして、確実に浮遊イオンCPFを捕集することができ、浮遊イオンCPFまでもがガス排出口60eから排出されるのを防止する。
そして、この微粒子検知システム1では、ガス排出口60eから排出された帯電微粒子SCに付着していた排出イオンCPHの電荷量に対応する信号(信号電流Is)を、微粒子検知部260で検知する。信号電流Isは、第1電位PV1(内側プロテクタ60等の電位)と接地電位PVE(排気管EP等の電位)との間を流れることになる。これにより、排気ガスEG中に含まれる微粒子Sの量(濃度)を検知できる。
このように本実施形態では、コロナ放電で発生させたイオンCPを、ガス取入管25の内部に取り入れた排気ガスEG中に含まれる微粒子Sに付着させて、帯電した帯電微粒子SCを生成し、帯電微粒子SCの量に応じて第1電位PV1と接地電位PVEとの間に流れる信号電流Isを用いて、排気ガスEG中の微粒子Sの量を検知する。
更に、微粒子センサ10は、セラミック素子120に素子用ヒータ150を有する。この素子用ヒータ150の第2−1ヒータパッド156は、第2−1ヒータ端子48及び電線173の第2-1ヒータリード線174を介して、制御装置200のヒータ通電部270に接続されている。また、素子用ヒータ150の第2−2ヒータパッド158は、第2−2ヒータ端子49及び電線175の第2-2ヒータリード線176を介して、制御装置200のヒータ通電部270に接続されている。
このため、ヒータ通電部270から、第2−1ヒータパッド156と第2−2ヒータパッド158との間に所定のヒータ通電電圧を印加すると、素子用ヒータ150の発熱抵抗体151が通電により発熱する。これにより、セラミック素子120を加熱して、セラミック素子120に付着した水滴や煤等の異物を除去できるので、セラミック素子120の絶縁性を回復或いは維持できる。
ところで、微粒子センサ10よりも排気管EPの上流側には、排気浄化装置DPFが設けられている(図1参照)。この排気浄化装置DPFは、排気ガスEG中のカーボン粒子を、排気浄化装置DPF内に設けられた排気浄化フィルタPFに捕集する。これにより、排気浄化フィルタPFを通過した排気ガスEGからカーボン粒子が除去される。そして、排気浄化装置DPFは、排気浄化フィルタPFに捕集されたカーボン粒子を酸化燃焼させて、排気浄化フィルタPFを再生させるフィルタ再生処理を、ECUからの指示により、車両AMの走行距離などに応じて定期的に行う。
なお、この排気浄化装置DPFの排気浄化フィルタPFを再生させるフィルタ再生処理中には、付着したカーボン粒子が燃焼し、600℃以上(例えば、700℃〜900℃)の排気ガスEGが排出される。即ち、フィルタ再生処理中には、第1温度(600℃)以上の高温の排気ガスEGが、排気浄化装置DPFから排出され続ける。このため、フィルタ再生処理中は、微粒子センサ10に届く排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上になる。
しかしながら、微粒子センサ10に届く排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上の高温になると、内側プロテクタ60(第1放電電極)とセラミック素子120の放電電極体130(第2放電電極)との間の絶縁抵抗が大きく低下する。この状態で、放電電極体130に第2電位PV2を印加すると(内側プロテクタ60と放電電極体130との間に第1電圧を印加すると)、内側プロテクタ60(あるいは内側プロテクタ60と同電位の部材、第1電位PV1となる部材)と放電電極体130との間において、コロナ放電ではなくスパーク放電が発生する虞がある。このようなスパーク放電が生じると、微粒子検知システム1に不具合が生じる虞がある。
また、このような高温環境下では、放電電極体130の一部(針状電極部131の先端側部131s、及び、放電電位パッド135)が露出する絶縁体(セラミック基体121)の表面の絶縁抵抗も大きく低下するので、上述のスパーク放電は、放電電極体130(例えば、針状電極部131の先端側部131s)からセラミック基体121(例えば、セラミック層122または123)の表面を経由して(セラミック基体121の表面を沿面放電して)発生する場合もある。このようなスパーク放電が発生すると、セラミック基体121の表面(沿面放電した経路)に放電痕が残り、それ以降、微粒子センサ10に届く排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上の高温にならない場合(例えば、通常温度の排気ガスEGが届く場合)でも、この放電痕を通じた沿面放電が発生し易くなり、適切に、上述のコロナ放電を発生させることができなくなる虞があった。このため、排気ガスEG中の微粒子Sを適切に検知することができなくなる虞があった。
これに対し、本実施形態では、判定部220は、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であることを示す再生中信号SRがECUから出力されると、通信線CC(具体的にはCANバス)を介してECUから受信し、再生中信号SRを受信したと判定する。そして、電圧低減指示部230は、判定部220において再生中信号SRを受信したと判定された場合、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。この指示により、放電電圧出力部210は、放電電極体130(第2放電電極)に第2電位PV2を印加することを停止(第2電位PV2の出力を停止)して、放電電極体130の電位を、内側プロテクタ60と同じ第1電位PV1とする。
これにより、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理により、微粒子センサ10に届く排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上の高温になった場合でも、内側プロテクタ60(あるいは内側プロテクタ60と同電位の部材、第1電位PV1となる部材)と放電電極体130との間において、スパーク放電(セラミック基体121の表面を経由したスパーク放電も含む)が生じるのを防止することができる。
次に、本実施形態の微粒子検知の流れについて説明する。図8は、実施形態に係る微粒子検知の流れを示すフローチャートである。
エンジンのキースイッチ(図示なし)がONにされると、ステップS1において、制御装置200の判定部220は、ECUから微粒子検知開始指示があるか否かを判定する。具体的には、判定部220は、微粒子検知開始の指示信号ST(図4参照)の有無を判定する。指示信号STが無い(NO)と判定した場合には、ステップS1を繰り返して、ECUからの微粒子検知開始の指示信号STの入力を待つ。そして、指示信号STを検知した(YES)場合は、ステップS2に進む。
ステップS2では、判定部220は、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であるか否かを判定する。具体的には、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であることを示す再生中信号SRを受信しているか否かを判定する。なお、本実施形態では、前述のように、「排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であるか否か」を判定することが、「微粒子センサ10に届く排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上になると予測できる予測条件が成立したか否か」の判定をすることに相当する。また、再生中信号SRは、フィルタ再生処理の期間中、継続してECUから送信されるので、判定部220は、フィルタ再生処理の期間中は継続して再生中信号SRを受信することになる。
再生中信号SRを受信していない(NO)と判定された場合は、ステップS3に進み、制御装置200は、微粒子センサ10を駆動させて、微粒子検知処理を行う。具体的には、前述のように、放電電圧出力部210により、セラミック素子120の放電電極体130に第2電位PV2を印加して、コロナ放電によりイオンCPを生成し、排出イオンCPHの電荷量に対応する信号電流Isを微粒子検知部260で検知するなど、所定の微粒子検知の処理を行う。
次いで、ステップS4に進み、判定部220は、エンジンENGのキースイッチ(図示なし)がOFFにされたか否かを判定する。なお、判定部220は、ECUから、エンジンENGのキースイッチのON−OFF情報を取得する。そして、エンジンENGのキースイッチがOFFでない(NO)と判定された場合は、上述のステップS2、S3の処理を繰り返し行う。その後、エンジンENGのキースイッチがOFFである(YES)と判定されたら、一連の処理を終了する。
一方、ステップS2において、再生中信号SRを受信している(YES)と判定された場合は、ステップS5に進み、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。この指示により、放電電圧出力部210は、放電電極体130(第2放電電極)に第2電位PV2を印加することを停止(第2電位PV2の出力を停止)して、放電電極体130の電位を、内側プロテクタ60と同じ第1電位PV1とする。これにより、前述したスパーク放電の発生を防止する。
次いで、ステップS2に戻り、判定部220は、再び、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であるか否かを判定する。再生中信号SRを受信している(YES)と判定された場合は、ステップS5に進み、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にすることを指示する。これにより、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中は、放電電圧出力部210において出力停止状態が継続され、前述したスパーク放電の発生を継続して防止する。
その後、ステップS2において、再生中信号SRを受信していない(NO)と判定された場合は、ステップS3に進み、前述の微粒子検知処理を行う。その後、ステップS4において、エンジンENGのキースイッチがOFFである(YES)と判定されたら、一連の処理を終了する。
(変形形態1)
次に、本発明の第1の変形形態を、図面を参照しつつ説明する。
変形形態1の微粒子検知システム301は、実施形態の微粒子検知システム1と比較して、制御装置が異なり、その他の点は同様である。
具体的には、実施形態では、制御装置200の判定部220は、ECUから再生中信号SRを受信したか否かによって、微粒子センサ10に届く排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上になると予測できる予測条件が成立したか否かの判定を行った。これに対し、本変形形態1では、制御装置400の判定部420は、以下のようにして、微粒子センサ10に届いた排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上であるか否かを判定する。
具体的には、本変形形態1の制御装置400は、図9に示すように、電圧出力部250と計測制御部480とを有する。計測制御部480は、判定部420と電圧低減指示部230と微粒子検知部260とヒータ通電部270とに加えて、温度検知部490を有している。温度検知部490は、セラミック素子120の発熱抵抗体151を温度検知素子として利用(兼用)して、微粒子センサ10に届いた排気ガスEG(被測定ガス)の温度を検知する。セラミック素子120のうち発熱抵抗体151が配置されている素子先端部120sは、排気管EP内を流通する排気ガスEGのうち内側プロテクタ60内に取り入れられた取入ガスEGIと接触するので(図7参照)、発熱抵抗体151により、微粒子センサ10に届いた排気ガスEGの温度を適切に検知することができる。
なお、発熱抵抗体151は、タングステンからなり、自身の温度変化に伴って自身の抵抗値が変化する特性を有している。このため、発熱抵抗体151の抵抗値を測定することで、その抵抗値から発熱抵抗体151の温度を検知することができる。本変形形態1では、発熱抵抗体151の温度を、排気ガスEG(被測定ガス)の温度とみなして、排気ガスEGの温度を検知する。
具体的には、温度検知部490は、発熱抵抗体151に一定の電圧を印加したときに発熱抵抗体151を流れる電流値を測定し、印加した電圧値と測定した電流値とから、発熱抵抗体151の抵抗値を検知する。さらに、温度検知部490には、事前に把握した発熱抵抗体151の抵抗値と温度との相関データが記憶されている。このため、温度検知部490は、検知された抵抗値と上記相関データとに基づいて、発熱抵抗体151の温度を検知し、この検知温度Tgを排気ガスEGの温度とみなす。
そして、判定部420は、温度検知部490により検知された温度Tgが、第1温度(600℃)以上であるか否かを判定する。このようにして、本変形形態1では、判定部420が、微粒子センサ10に届いた排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度(600℃)以上であるか否かを判定する。また、電圧低減指示部230は、判定部220において検知温度Tgが第1温度(600℃)以上であると判定された場合、放電電圧出力部210に対し、放電電圧出力部210において出力する電圧を、第1電圧(=第2電位PV2−第1電位PV1)よりも低い第2電圧に低減させる指示をする。具体的には、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。
次に、本変形形態1の微粒子検知の流れについて説明する。図10は、変形形態1に係る微粒子検知の流れを示すフローチャートである。
エンジンのキースイッチ(図示なし)がONにされると、ステップT1において、制御装置400の判定部420は、ECUから微粒子検知開始指示があるか否かを判定する。具体的には、判定部420は、微粒子検知開始の指示信号ST(図9参照)の有無を判定する。指示信号STが無い(NO)と判定した場合には、ステップT1を繰り返して、ECUからの微粒子検知開始の指示信号STの入力を待つ。そして、指示信号STを検知した(YES)場合は、ステップT2に進む。
ステップT2において、温度検知部490は、前述したように、微粒子センサ10に届いた排気ガスEG(被測定ガス)の温度を検知する。
次いで、ステップT3に進み、判定部420は、温度検知部490により検知された温度Tgが、第1温度(600℃)以上であるか否かを判定する。
ステップT3において、検知温度Tgが第1温度(600℃)以上でない(NO)と判定された場合は、ステップT4に進み、制御装置400は、実施形態と同様に、微粒子センサ10を駆動させて、微粒子検知処理を行う。具体的には、放電電圧出力部210により、セラミック素子120の放電電極体130に第2電位PV2を印加して、コロナ放電によりイオンCPを生成し、排出イオンCPHの電荷量に対応する信号電流Isを微粒子検知部260で検知するなど、所定の微粒子検知の処理を行う。
次いで、ステップT5に進み、判定部420は、実施形態の判定部220と同様に、エンジンENGのキースイッチ(図示なし)がOFFにされたか否かを判定する。そして、エンジンENGのキースイッチがOFFでない(NO)と判定された場合は、上述のステップT2〜T4の処理を繰り返し行う。その後、エンジンENGのキースイッチがOFFである(YES)と判定されたら、一連の処理を終了する。
一方、ステップT3において、検知温度Tgが第1温度(600℃)以上である(YES)と判定された場合は、ステップT6に進み、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。この指示により、放電電圧出力部210は、放電電極体130(第2放電電極)に第2電位PV2を印加することを停止(第2電位PV2の出力を停止)して、放電電極体130の電位を、内側プロテクタ60と同じ第1電位PV1とする。これにより、前述したスパーク放電の発生を防止する。
次いで、ステップT2に戻り、再び、温度検知部490が、微粒子センサ10に届いた排気ガスEG(被測定ガス)の温度を検知し、その後、ステップT3において、判定部420が、検知温度Tgが第1温度(600℃)以上であるか否かを判定する。検知温度Tgが第1温度(600℃)以上である(YES)と判定された場合は、ステップT6に進み、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にすることを指示する。これにより、放電電圧出力部210において出力停止状態が継続され、前述したスパーク放電の発生を継続して防止する。
その後、ステップT3において、検知温度Tgが第1温度(600℃)以上でない(NO)と判定された場合は、ステップT4に進み、前述の微粒子検知処理を行う。その後、ステップT5において、エンジンENGのキースイッチがOFFである(YES)と判定されたら、一連の処理を終了する。
(変形形態2)
次に、本発明の第2の変形形態を、図面を参照しつつ説明する。
変形形態2の微粒子検知システム501は、実施形態の微粒子検知システム1と比較して、微粒子センサの構造が異なり、その他の点は同様である。
実施形態の微粒子センサ10は、図7に示すように、放電電極体130(詳細には、針状電極部131の先端側部131s)が排気ガスEGに接触する構造であった。これに対し、本変形形態2の微粒子センサ510は、図11に示すように、放電電極体520(針状先端部522)が排気ガスEGに接触しない構造とされている。
なお、図11には、微粒子検知システム501のうち、排気管EP内に配置される部位(微粒子センサ510の先端部)のみを図示している。微粒子センサ510の先端部は、ケーシング560と、この内部に配置された放電電極体520の針状先端部522とを有している。ケーシング560は、後述するノズル部531、取入口533、及び排出口543などを有している。放電電極体520(第2放電電極)は、筒状セラミック575(絶縁体)に保持されており、放電電極体520の一部(針状先端部522)が筒状セラミック575から露出(突出)している。
変形形態2の微粒子検知システム501では、第1電位PV1とされるノズル部531(第1放電電極)と、第2電位PV2とされる針状先端部522(第2放電電極)との間で、コロナ放電を発生させて、針状先端部522の周囲にイオンCPを発生させる。発生したイオンCPの一部は、放電空間DSに供給された圧縮空気ARと共に、ノズル孔531Nを通って、混合領域MXに向けて噴射される。さらに、高速で噴射された空気ARの流れにより、混合領域MXの気圧が下がるので、取入口533の外部の排気ガスEGが、この取入口533から引き込み路HKを通じて、混合領域MXに取り入れられる。取り入れられた取入ガスEGIは、混合領域MXでイオンCPを含む空気ARと混合され、この空気ARと共に、排出路EXを経由して、排出口543から排出される。
その際、排気ガスEG中に、ススなどの微粒子Sが含まれていた場合、この微粒子Sも混合領域MX内に取り入れられる。このため、取り入れられた微粒子Sは、イオンCPが付着して、正に帯電した帯電微粒子SCとなり、この状態で、混合領域MX及び排出路EXを通って、排出口543から、空気ARと共に排出される。この微粒子検知システム501でも、実施形態と同様に、排出口543から排出された帯電微粒子SCに付着していた排出イオンCPHの電荷量に対応する信号(信号電流Is)を、微粒子検知部260で検知することで、排気ガスEG中に含まれる微粒子Sの量(濃度)を検知する。
微粒子検知システム501では、上述のように、圧縮空気ARが、ノズル孔531Nを通じて放電空間DSから混合領域MXに向けて噴射されているので、混合領域MXに取り入れられた排気ガスEG(取入ガスEGI)は、放電空間DS内に取り込まれない。このため、放電空間DS内に位置する放電電極体520の針状先端部522には、排気ガスEG(微粒子S)が接触しない。
このように、放電電極体520(針状先端部522)が排気ガスEG(微粒子S)に接触しない構造とされた、変形形態2の微粒子検知システム501でも、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理により、微粒子センサ510に届く排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上の高温になった場合、放電電極体520(第2放電電極)とノズル部531(第1放電電極)との間の絶縁抵抗、及び、筒状セラミック575の表面の絶縁抵抗が大きく低下する。このため、放電電極体520(針状先端部522)とノズル部531(あるいはこれと同電位の部材、第1電位PV1となる部材)との間において、スパーク放電(筒状セラミック575の表面を経由したスパーク放電も含む)が生じる虞がある。
これに対し、本変形形態2でも、実施形態と同様に、判定部220において、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であることを示す再生中信号SRを受信したか否かを判定し、判定部220において再生中信号SRを受信したと判定された場合、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示する。これにより、上述のスパーク放電が発生するのを防止することができる。
以上において、本発明を実施形態及び変形形態1,2に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、図8に示すように、ステップS5において、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示するようにした。しかしながら、ステップS5において、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、放電電圧出力部210において出力する電圧を、第1電圧(=第2電位PV2−第1電位PV1)よりも低い第2電圧(≠0V)に低減させる指示をするようにしても良い。例えば、放電電圧出力部210が放電電極体130に印加する電位を、第2電位PV2よりも低く、且つ、第1電位PV1よりも高い第4電位に低減させるようにしても良い。但し、第4電位(または第2電圧=第4電位−第1電位)は、微粒子センサ10に届いた排気ガスEGの温度が第1温度(600℃)以上になった状態で、放電電極体130と内側プロテクタ60(またはこれと同電位の部材)との間でスパーク放電が生じない大きさとするのが好ましい。
また、実施形態では、ステップS2において、排気浄化装置DPFのフィルタ再生処理中であることを示す再生中信号SRを受信したか否かを判定することで、「微粒子センサ10に届く排気ガスEG(被測定ガス)の温度が第1温度以上になると予測できる予測条件が成立したか否か」を判定した。すなわち、実施形態では、再生中信号SRを受信したか否かを、上記予測条件とした。
しかしながら、例えば、図1に破線で示すように、微粒子センサ10の上流側の排気管EPに、排気ガスEGの温度を検知する温度センサ3を備えている場合は、この温度センサ3が検知する排気ガスEGの検知温度が第1温度(例えば、600℃)以上になったとき、微粒子センサ10に届く排気ガスEGの温度が第1温度以上になると予測できる。このため、この場合は、「温度センサ3が検知した検知温度が第1温度以上である」ことを、予測条件とすることができる。従って、例えば、ステップS2において、判定部220が、温度センサ3が検知した検知温度を受信し、この検知温度が第1温度以上であるか否かを判断するようにしても良い。そして、温度センサ3の検知温度が第1温度以上である場合は、ステップS5において、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示するようにしても良い。
また、車両AMが長い坂を登坂する時など、エンジンENGが高負荷高回転で所定時間(例えば5秒間)、継続して運転され、高温の排気ガスEGが継続して排出される場合も、微粒子センサ10に届く排気ガスEGの温度が第1温度(例えば、600℃)以上になる。従って、エンジンENGの運転条件が高負荷高回転であり、これが所定時間(例えば5秒間)継続した場合には、微粒子センサ10に届く排気ガスの温度が第1温度以上になると予測できる。従って、例えば、ステップS2において、判定部220が、ECU等から受信するエンジンENGの回転数やアクセル開度などを含む内燃機関の運転条件に基づいて、所定時間(例えば5秒間)にわたり高負荷高回転の運転条件を示しているか否かを判断することによって、予測条件が成立したか否かを判定するようにしても良い。そして、予測条件が成立したと判断した場合は、ステップS5において、電圧低減指示部230が、放電電圧出力部210に対し、出力停止状態にする(電圧を出力しない)ことを指示するようにしても良い。