JP2018054312A - Pmセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】より検出精度の高いPMセンサを提供すること。
【解決手段】内燃機関100の排気管202内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるPMセンサ1であって、排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部20と、前記センサ部20を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口Hin2、及び管軸の中心側に前記排気ガスの排気口Houtを有する内ケース11と、前記内ケース11を収容し、前記排気口Houtよりも管壁側に前記排気ガスの取入口Hin1、及び前記内ケース11との間に前記取入口Hin1から前記導入口Hin2に通ずる前記排気ガスの流路Hmを有する外ケース12と、前記取入口Hin1から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管202の排気通路から前記取入口Hin1に前記排気ガスを案内する案内部材13と、を備える。
【選択図】図2
【解決手段】内燃機関100の排気管202内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるPMセンサ1であって、排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部20と、前記センサ部20を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口Hin2、及び管軸の中心側に前記排気ガスの排気口Houtを有する内ケース11と、前記内ケース11を収容し、前記排気口Houtよりも管壁側に前記排気ガスの取入口Hin1、及び前記内ケース11との間に前記取入口Hin1から前記導入口Hin2に通ずる前記排気ガスの流路Hmを有する外ケース12と、前記取入口Hin1から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管202の排気通路から前記取入口Hin1に前記排気ガスを案内する案内部材13と、を備える。
【選択図】図2
Description
本開示は、PMセンサに関する。
内燃機関の排気ガス中に含まれる粒子状物質(Particulate Matter:以下、「PM」と称する)の量を検出するセンサとして、PMセンサが知られている。
PMセンサは、例えば、排気通路においてPMフィルタ(例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ)の下流側に配置され、当該PMフィルタでのDPFの故障の判定等のために使用される。又、PMセンサは、例えば、PMフィルタの上流に配置されて、内燃機関から排出するPM量の測定に使用されている。
PMセンサは、取り込んだ排気ガスの通路を遮るように配置された多孔質フィルタと、当該多孔質フィルタを挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極とを備えている。この多孔質フィルタの通路上流側の表面には、自身を通過する排気ガスに含まれるPMが堆積していく。そして、PMセンサは、一対の電極により構成されるコンデンサの静電容量の変化量に基づき、多孔質フィルタへのPM堆積量を導出する(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)。
ところで、PMセンサにおいてPM量の検出精度を上げるためには、PMセンサ内に排気ガスを効率良く取り込むことが望まれる。
そこで、本発明は、PMセンサ内に排気ガスを効率良く取り込み、より検出精度の高いPMセンサを提供することを目的とする。
前述した課題を解決する主たる本発明は、内燃機関の排気管内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるPMセンサであって、排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部と、前記センサ部を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口、及び管軸中心側に前記排気ガスの排気口を有する内ケースと、前記内ケースを収容し、前記排気口よりも管壁側に前記排気ガスの取入口、及び前記内ケースとの間に前記取入口から前記導入口に通ずる前記排気ガスの流路を有する外ケースと、前記取入口から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管の排気通路から前記取入口に前記排気ガスを案内する案内部材と、を備えるPMセンサである。
本発明に係るPMセンサによれば、PM量の検出精度をより高めることができる。
以下、図面を参照して、一実施形態に係るPMセンサ1について詳説する。
尚、図面中のL軸、W軸及びT軸は、PMセンサ1の長手方向、幅方向及び高さ方向を示し、各方向は互いに直交する。又、L軸の正方向側は、排気通路Pを形成する排気管202の管壁から管軸の中心に向かう方向に相当し、W軸の正方向側は、排気管202の下流側の方向にも相当する。以下では、長手方向Lにおける正方向側を「先端側」又は「排気管202の管軸中心側」と称し、その負方向側を「基端側」又は「排気管202の管壁側」と称する。
[PMセンサの周辺構成]
図1は、本実施形態に係るPMセンサ1の周辺構成を示す図である。図1には、内燃機関100と、排気系200と、PMセンサ1a、1bが示されている。
図1は、本実施形態に係るPMセンサ1の周辺構成を示す図である。図1には、内燃機関100と、排気系200と、PMセンサ1a、1bが示されている。
内燃機関100は、典型的にはディーゼルエンジンである。但し、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジン等にも適用し得る。
排気系200は、例えば、排気通路Pを形成する排気管202と、酸化触媒204と、PMフィルタ206と、を含む。酸化触媒204は、排気通路PにおいてPMフィルタ206よりも上流側に設けられ、排気ガス中の一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)を分解除去する。PMフィルタ206は、典型的には、ディーゼルパティキュレートフィルタである。
PMセンサ1a、1bは、典型的には、PMフィルタ206でのPM堆積量の導出や、PMフィルタ206の故障判定等のために使用される。本実施形態においては、PMフィルタ206よりも上流側に設けられたPMセンサ1aは、PMフィルタ206でのPM堆積量の導出等に使用される。又、PMフィルタ206よりも下流側に設けられたPMセンサ1bは、PMフィルタ206の故障判定等に使用される。
尚、本実施形態におけるPMセンサ1a及び1bは、同様の構成を有するため、以下では、「PMセンサ1」と略称して説明する。但し、PMセンサ1は、PMフィルタ206に対して上流側又は下流側のいずれかのみに配設されてもよい。
[PMセンサの構成]
以下、図2、図3A、図3Bを参照して、本実施形態に係るPMセンサ1について詳説する。
以下、図2、図3A、図3Bを参照して、本実施形態に係るPMセンサ1について詳説する。
図2は、本実施形態に係るPMセンサ1の全体構成の一例を示す図である。ここで、図2は、PMセンサ1をWL平面と平行な仮想面に沿って切断した断面形状を示す。
図3A、図3Bは、本実施形態に係るPMセンサ1のセンサ部20の詳細構成の一例を示す図である。
図2、図3Bに示す矢印Qは、PMセンサ1の内部に流通する排気ガスの流通経路を表す。図2中では、排気ガスは、取入口Hin1からPMセンサ1の内部に取り入れられ、流路Hm、導入口Hin2、センサ部20、排気口Houtへと順に流通することを示している。
PMセンサ1は、内ケース11、外ケース12、案内部材13、取付部14、支持部材15、及びセンサ部20を備えている。
ここで、内ケース11は、センサ部20を内部に収容する部材であり、外ケース12は、当該内ケース11を内部に収容する部材である。そして、内ケース11及び外ケース12は、取付部14によって、排気管202の管壁から管軸中心に向かって延在するように取り付けられている。
内ケース11は、例えば、有底の円筒形状を呈し、中心軸が長手方向Lに沿うように配設される。内ケース11は、円筒形状の内部にセンサ部20を収容する。又、内ケース11は、長手方向Lの先端側に向かって、外ケース12の先端よりも突出する形状を呈する。
内ケース11の管壁側には、内ケース11と外ケース12の間に形成される流路Hmから、センサ部20に排気ガスを導入する導入口Hin2が形成されている。具体的には、導入口Hin2は、内ケース11の壁部を貫通する貫通口であって、内ケース11の円筒の周方向に沿って複数形成されている。
内ケース11の管軸中心側には、センサ部20に導入した排気ガスを排気する排気口Houtが形成されている。排気口Houtは、より詳細には、内ケース11の管軸中心側の底面位置の略中央に、内ケース11の内径よりも径が小さい一の貫通口として設けられている。排気口Houtは、取入口Hin1に対して吸気負圧を作用した状態とするべく、例えば、排気管202の管軸の中心付近に位置するように構成される(詳細は後述)。
外ケース12は、例えば、円筒形状を呈し、中心軸が長手方向Lに沿うように配設される。より詳細には、外ケース12は、内ケース11の中心軸と当該外ケース12の中心軸が一致するように、内ケース11を収容する。外ケース12の内径は、内ケース11の外径よりも大きく、外ケース12は、内ケース11の外面と離間するように、当該内ケース11を収容する。つまり、外ケース12の内面と内ケース11の外面の間には、排気ガスの流路Hmが形成されている。
外ケース12の管軸中心側には、排気通路Pから排気ガスを取り入れる取入口Hin1が形成されている。取入口Hin1は、より詳細には、外ケース12の先端に流路Hmと連通するように、排気ガスの流通方向に対して交差する方向に開口を向けて形成されている。つまり、排気ガスは、内ケース11の外面と衝突して減速した状態で取入口Hin1に取り入れられる。
尚、取入口Hin1及び流路Hmは、外ケース12の円筒の周方向の全周に亘って形成されている。これによって、PMセンサ1を排気管202に取り付けたときに、取入口Hin1の開口の向きが排気ガスの流通方向に対してずれ、排気ガスの取り込み量に関して、PMセンサ1毎の個体差が生じることを防止している。
外ケース12の取入口Hin1は、内ケース11の排気口Houtよりも管壁側に設けられている。換言すると、排気口Houtは、取入口Hin1よりも排気管202の管軸の中心側に配設される。排気通路Pを流通する排気ガスの流速は、排気管202の管壁側よりも管軸の中心の方が速くなるため、当該構成によって、取入口Hin1には、排気口Houtに対して吸気負圧が作用した状態となっている(詳細は後述)。
案内部材13は、より多量の排気ガスを取入口Hin1に取り入れるべく設けられ、少なくとも一部が取入口Hin1から排気通路Pの上流側に向かって延在し、排気通路Pから取入口Hin1に排気ガスを案内する。
より詳細には、案内部材13は、取入口Hin1よりも管壁側の位置で外ケース12の外面に取り付けられ案内羽根13aと、取入口Hin1よりも管軸中心側の位置で内ケース11の外面に取り付けられた案内羽根13bと、を有する。案内羽根13aと案内羽根13bとは、取入口Hin1から排気管202の上流側に向かって両部材間に形成される開口幅が大きくなるように延在する。
ここで、案内羽根13bは、取入口Hin1から排気ガスの流通方向に沿って延在する形状とするのが望ましい。換言すると、案内羽根13bは、排気ガスの流通方向に沿って見たときに、下流側の排気口Houtを覆わない構成とするのが望ましい。これによって、下流側の排気口Houtの付近で排気ガスの乱流が発生することを防止し、取入口Hin1に対して発生する吸気負圧を安定させることができる。
尚、案内羽根13a及び13bは、取入口Hin1と同様に、内ケース11及び外ケース12の円筒の周方向の全周に亘って取り付けられている。但し、案内羽根13a及び13bは、上流側に向かう部位のみであってもよい。又、案内羽根13a及び13bは、ケースを構成する部材と一体的に形成されてもよい。
取付部14は、PMセンサ1を排気管202の管壁に固定する。取付部14は、例えば、PMセンサ1の管壁側の部位の外周面に形成された雄ネジを含んで構成される。取付部14の当該雄ネジは、排気管202の貫通口202aに形成された雌ネジに嵌め合わされて、PMセンサ1を排気管202の管壁に固定する。
支持部材15は、内ケース11の内部でセンサ部20を支持する。支持部材15は、例えば、円筒状の内ケース11の内周面に長手方向Lに沿って設けられ、センサ部20を全周から取り囲むように支持する。支持部材15は、典型的には、耐熱性を有する繊維状のマットからなる。
センサ部20は、排気ガスに含有するPMを捕集し、当該PMの量を検出する(図3A、図3Bを参照)。
本実施形態に係るセンサ部20は、フィルタ部材21、電極22、及びヒータ23を備えている。
フィルタ部材21は、内ケース11内に取り込まれた排気ガス中のPMを捕集する。フィルタ部材21は、例えば、多孔質セラミックスや微細な貫通孔が形成されたセラミックスの隔壁で構成され、長手方向Lに沿って区画された格子状の複数のセルを形成する。フィルタ部材21は、上流側が目封止されたセルC1と下流側が目封止されたセルC2とが、格子状に交互に形成されるように隔壁を配設する。換言すると、上流側を目封止されたセルC1と下流側を目封止されたセルC2の間には、隔壁が介在する。
排気ガスは、下流側を目封止されたセルC2から流入し、フィルタ部材21の隔壁を介して隣接する上流側を目封止されたセルC1に通流する。当該排気ガスに含まれるPMは、排気ガスが下流側を目封止されたセルC2から上流側を目封止されたセルC1に流れ込む際に、隔壁の表面や細孔に捕集される。
電極22(図3A、図3B中では、22a〜22e)は、フィルタ部材21のセルC1及びC2を挟んで対向するように複数配設され、隣り合う電極22とコンデンサを構成する(以下、「コンデンサ」とも称する)。より詳細には、各電極22は、長手方向Lに延在する板状の導電性部材である。各電極22は、当該板状の導電性部材の板面が他の電極22の板面と高さ方向Tに対向するように平行に配設される。
各電極22には、それぞれ、導電線(図示せず)が接続され、当該導電線は、コントロールユニット30に内蔵された静電容量検出回路(図示せず)まで引き出されている。そして、コンデンサの静電容量は、当該静電容量検出回路において検出される。
ヒータ23(図3A、図3B中では、23a、23b)は、例えば電熱線であって、通電により発熱してフィルタ部材21を加熱することで、フィルタ部材21に堆積したPMを燃焼除去する(以下、「センサ再生」とも称する)。ヒータ23は、線状導体からなり、絶縁性セラミックシート内に蛇行するように埋設された状態で、例えば、電極22とフィルタ部材21との間に挿入される。
各ヒータ23の両端には、導電線(図示せず)が接続され、当該導電線は、コントロールユニット30に内蔵された定電流電源回路(図示せず)まで引き出されている。尚、ヒータ23の機能は、少なくとも一個の電極22に持たせることも可能である。
コントロールユニット30は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を含んで構成されるマイコンである。
コントロールユニット30は、PM量導出部30aとセンサ再生制御部30bを備えている。又、本実施形態に係るコントロールユニット30には、コンデンサの静電容量を検出する静電容量検出回路、ヒータ23に通流させる電流を供給する電源回路も内蔵されている。
PM量導出部30aは、検出されるPM量に応じたの静電容量に基づいて、排気ガスに含まれるPM量を推定する。PM量導出部30aは、所定期間(例えば、センサ再生処理終了時から次のセンサ再生開始時までの期間)におけるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、エンジン100から排出される排気ガス中の総PM量を推定する。
この際、PM量導出部30aは、静電容量検出回路が示す電気信号に基づいてコンデンサの静電容量を検出し、例えば、予め実験等により求めた当該静電容量の変化量とPM量との関係を示すマップを用いてPM量を推定する。PM量導出部30aは、コンデンサの静電容量の単位時間当たりの変化量から、瞬時のPM量をリアルタイムに推定することもできる。尚、コンデンサの静電容量からPM量を検出する演算処理については、本発明者等の特開2016−008863号公報等において公知であるから、ここでの説明は省略する。
センサ再生制御部30bは、所定のタイミングで(例えば、コンデンサの静電容量が所定値を超えたとき)、各ヒータ23を通電させて、フィルタ部材21に堆積するPMを燃焼除去する。そして、センサ再生制御部30bは、コンデンサの静電容量がPMの完全除去を示す所定の静電容量に低下するまでセンサ再生処理を継続する。
PM量導出部30aとセンサ再生制御部30bは、例えば、CPUがROM、RAM等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。
[PMセンサの動作]
内燃機関100から排出された排気ガスは、酸化触媒204及びPMフィルタ206により処理されて、排気通路Pの下流側に向けて流れる。
内燃機関100から排出された排気ガスは、酸化触媒204及びPMフィルタ206により処理されて、排気通路Pの下流側に向けて流れる。
排気通路Pに流通する排気ガスの一部は、取入口Hin1を介してPMセンサ1内に流入する。この際、排気口Houtは、取入口Hin1よりも排気管202の管軸の中心側に配設されているため、当該取入口Hin1には吸気負圧が作用する状態となっている。より詳細には、排気ガスは、排気管202の管軸の中心ほど流速が速いため、取入口Hin1の圧力は、排気管202の管軸の中心付近に位置する排気口Houtの圧力に対して相対的に負圧の状態となる。従って、排気ガスは、取入口Hin1に吸入されて、センサ部20を介して排気口Houtに向かって流通する。
又、この際、取入口Hin1には、案内羽根13a及び13bが設けられているため、当該取入口Hin1には、当該案内羽根13a及び13bを介して排気通路Pから多量の排気ガスが案内される。
取入口Hin1に流入した排気ガスは、内ケース11と外ケース12の間の流路Hmを通過して、導入口Hin2から内ケース11の内部に流入する。その後、排気ガスは、フィルタ部材21に形成された下流側を目封止されたセルC2に流入した後、隔壁を通過して、上流側を目封止されたセルC1に流れ、管軸中心側の排気口Houtから流出する。ここで、排気ガスに含有するPMは、セルC2の隔壁において捕集され、当該PMを除く排気ガスが、管軸中心側の排気口Houtから外部に排出される。
PM量導出部30aは、例えば、センサ再生制御部30bにセンサ再生処理が行われたときのコンデンサの静電容量からの静電容量の変化量に基づいて、内燃機関100からの排気ガス中の総PM量を推定する。
以上、本実施形態に係るPMセンサ1によれば、案内部材13によって、取入口Hin1に取り入れる排気ガスの量を増加させつつ、流路Hmによって、排気ガスをセンサ部20に導入する際に排気ガスを減速させる構成を有する。このように、センサ部20に導入する際に排気ガスを減速させることで、排気ガスに含まれるPMをフィルタ部材21で確実に捕集することが可能であり、排気ガスの流速の変化等に起因してPMの捕集率が変動したりすることを防止することができる。又、その際、案内部材13によって取入口Hin1に取り入れる排気ガスの量を増加させることで、フィルタ部材21で捕集するPM量を増加させることが可能であり、実質的に分解能を向上させ、また、センサの感度を向上させて、PM量の検出精度を向上させることができる。
(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
上記実施形態では、案内部材13の一例として、案内羽根13a及び13bを示した。しかしながら、案内部材13は、取入口Hin1に取り入れる排気ガスの量を増加させることができれば任意の形状であってよい。例えば、案内部材13は、案内羽根13a及び13bで構成される態様に代えて、筒状の部材等で構成されてもよい。他方、案内羽根13a及び13bのいずれか一方だけを設ける構成としてもよい。
又、上記実施形態では、内ケース11及び外ケース12の一例として、ともに円筒形状を呈する態様を示した。しかしながら、内ケース11及び外ケース12は、角筒形状等、他の形状であってもよいし、内ケース11と外ケース12とは、異なる形状であってもよい。
又、上記実施形態では、排気口Houtの一例として、内ケース11の先端の底部に形成する態様を示した。しかしながら、排気口Houtは、内ケース11の下流側の側面等、他の位置に形成してもよい。
又、上記実施形態では、センサ部20の一例として、フィルタ部材21と電極22とで構成する静電容量方式センサを示した。しかしながら、センサ部20は、他の方式でもよく、例えば、抵抗素子にPMを付着させて抵抗値の変化を検出する電気抵抗式センサとしてもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本開示に係るPMセンサは、内燃機関の排気通路に流通する排気ガス中のPM量を検出するセンサとして有用である。
1 PMセンサ
11 内ケース
12 外ケース
13 案内部材
14 取付部
15 支持部材
20 センサ部
21 フィルタ部材
22 電極
23 ヒータ
30 コントロールユニット
Hin1 取入口
Hin2 導入口
Hm 流路
Hout 排気口
11 内ケース
12 外ケース
13 案内部材
14 取付部
15 支持部材
20 センサ部
21 フィルタ部材
22 電極
23 ヒータ
30 コントロールユニット
Hin1 取入口
Hin2 導入口
Hm 流路
Hout 排気口
Claims (8)
- 内燃機関の排気管内に管壁から管軸中心に向かうように配設されるPMセンサであって、
排気ガスに含有する粒子状物質の量を検出するセンサ部と、
前記センサ部を収容し、管壁側に前記排気ガスの導入口、及び管軸中心側に前記排気ガスの排気口を有する内ケースと、
前記内ケースを収容し、前記排気口よりも管壁側に前記排気ガスの取入口、及び前記内ケースとの間に前記取入口から前記導入口に通ずる前記排気ガスの流路を有する外ケースと、
前記取入口から前記排気管の上流側に向かって延在し、前記排気管の排気通路から前記取入口に前記排気ガスを案内する案内部材と、
を備えるPMセンサ。 - 前記案内部材は、第1の案内羽根と、前記第1の案内羽根よりも管軸中心側に配設された第2の案内羽根と、を有する
請求項1に記載のPMセンサ。 - 前記第1及び前記第2の案内羽根は、前記取入口から前記排気管の上流側に向かって両部材間に形成される開口幅が大きくなるように延在する
請求項2に記載のPMセンサ。 - 前記第2の案内羽根は、排気通路における排気ガスの流通方向に沿って延在する
請求項2又は3に記載のPMセンサ。 - 前記内ケースと前記外ケースは、いずれも前記排気管の管壁から管軸中心に向かって延在する筒形状を呈する
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のPMセンサ。 - 前記内ケースは、前記外ケースの先端よりも前記排気管の管軸中心に向かって突出し、
前記取入口は、前記外ケースの先端に排気ガスの流通方向に対して交差する方向に開口を向けて形成される
請求項5に記載のPMセンサ。 - 前記取入口、前記流路、及び前記導入口は、筒形状の周方向の全周に亘って配設される
請求項5又は6に記載のPMセンサ。 - 前記センサ部は、排気ガスに含有する粒子状物質を捕集するフィルタ部材と、前記フィルタ部材の少なくとも一部を挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極と、を有する
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のPMセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016186857A JP2018054312A (ja) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | Pmセンサ |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018054312A true JP2018054312A (ja) | 2018-04-05 |
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Country Status (1)
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JP (1) | JP2018054312A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11655747B2 (en) | 2019-11-07 | 2023-05-23 | Cummins Emission Solutions Inc. | Outlet passage for aftertreatment sensor |
-
2016
- 2016-09-26 JP JP2016186857A patent/JP2018054312A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11655747B2 (en) | 2019-11-07 | 2023-05-23 | Cummins Emission Solutions Inc. | Outlet passage for aftertreatment sensor |
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Legal Events
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