JP5094702B2 - 粒子状物質検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子状物質検出装置に関する。特に、内燃機関から排出された排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置に関する。

従来、内燃機関の排気管には、排気の粒子状物質の濃度を検出するために粒子状物質検出装置が設けられている。この粒子状物質検出装置として、例えば特許文献１には、排気管内に電極部を設け、この電極部に排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性を測定することにより排気管内の排気の粒子状物質の濃度を検出するものが示されている。
特開２００８−１３９２９４号公報

しかしながら、粒子状物質は温度が変化するとその電気物性も変化するという特性がある。このため、上述のように、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性の測定に基づいて粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置では、内燃機関の運転状態や排気の温度の変動に応じて検出値も変動してしまうおそれがある。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の電気的特性の測定に基づいて排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して濃度を検出できる粒子状物質検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路（ＥＰ）に設けられた電極部（２）を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置（１）であって、前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータを検出するパラメータ検出手段（６，８）と、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性（ΔＣ）と、前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータ（Ｔ_Ａ）とに基づいて、排気の粒子状物質の濃度（Ｄ）を検出する濃度検出手段（６）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の粒子状物質検出装置において、前記粒子状物質が付着した電極部の電気的特性と、前記粒子状物質の温度に相関のあるパラメータと、前記排気通路を流通する排気の粒子状物質の濃度と、の関係を示すデータが格納された記憶手段（６）を備え、前記濃度検出手段は、前記記憶手段に格納されたデータを用いて、前記測定された電気的特性（ΔＣ）及び前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータ（Ｔ_Ａ）に応じた排気の粒子状物質の濃度（Ｄ）を検出することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性を測定し、この測定した電気的特性と、電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータとに基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する。これにより、内燃機関の運転状態や排気の温度が変動し、電極部に付着した粒子状物質の電気物性が変動する場合であっても、この粒子状物質の電気物性の温度による影響を考慮しながら安定して粒子状物質の濃度を検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、電極部の電気的特性と、粒子状物質の温度に相関のあるパラメータと、排気の粒子状物質の濃度と、の関係を示すデータを記憶手段に格納しておき、このデータを用いて、測定された電気的特性及び検出されたパラメータに応じた排気の粒子状物質の濃度を検出する。これにより、さらに安定して粒子状物質の濃度を検出することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１の構成を示す模式図である。

ＰＭセンサ１は、エンジンの排気管ＥＰ内に設けられたセンサ電極部２と、このセンサ電極部２に接続された集塵用ＤＣ電源３、及びインピーダンス測定器４、センサ電極部２の温度を制御する温度制御装置５と、これらを制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）６と、を含んで構成される。以下、詳述するように、ＰＭセンサ１は、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）が付着したセンサ電極部２の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて、排気管ＥＰ内を流通する排気の粒子状物質の濃度（以下、「ＰＭ濃度」という）を検出する。

図２は、センサ電極部２の構成を示す図である。より具体的には、図２（Ａ）は、センサ電極部２の電極板２５の構成を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、２枚の電極板２５，２５を含んで構成されたセンサ電極部２の構成を示す斜視図である。

図２（Ａ）に示すように、電極板２５は、略矩形状のアルミナ基板２５１と、このアルミナ基板２５１の表面に形成されたタングステン導体層２５２と、を備える。このタングステン導体層２５２は、アルミナ基板２５１の略中央部において、略正方形状に形成された導体部と、この導体部からアルミナ基板２５１の一端側へかけて線状に延びる導線部と、を含んで構成される。また、アルミナ基板２５１の一端側には、このタングステン導体層２５２の導線部に積層して設けられたタングステン印刷部２５３が形成されている。
ここで、アルミナ基板２５１の厚みは、約１ｍｍであり、タングステン導体層２５２の導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。

図２（Ｂ）に示すように、センサ電極部２は、一対の電極板２５，２５を、板状のスペーサ２６，２６を介装して組み合わせることにより構成される。これらスペーサ２６，２６は、各電極板２５の両端側に設けられており、これにより、各電極板２５のタングステン導体層２５２の導体部には、ＰＭが集塵されるキャビティ２７が形成される。

図１に戻って、集塵用ＤＣ電源３及びインピーダンス測定器４は、切換スイッチＳＷを介してセンサ電極部２の電極板２５，２５に接続されている。

集塵用ＤＣ電源３は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、センサ電極部２の電極板２５，２５間に所定の電圧を所定の時間に亘って印加する。これにより、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれるＰＭを、電極板２５，２５に付着させる。

インピーダンス測定器４は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧及び測定周期の交流信号のもとでセンサ電極部２４の電極板２５，２５間の静電容量を検出し、検出した静電容量値に略比例した検出信号をＥＣＵ６に出力する。

切換スイッチＳＷは、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、電極板２５に対する接続を、集塵用ＤＣ電源３とインピーダンス測定器４との間で選択的に切り換える。後に詳述するように、センサ電極部２のキャビティ２７内にＰＭを集塵する場合には集塵用ＤＣ電源３と電極板２５とを接続し、センサ電極部２の静電容量を測定する場合にはインピーダンス測定器４と電極板２５とを接続する。

温度制御装置５は、各電極板２５，２５に接して設けられたヒータ５１，５１と、これらヒータ５１，５１に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源５２と、を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源５２は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ５１，５１に所定の電流を通電する。ヒータ５１，５１は、ヒータ用ＤＣ電源５２から電流が供給されると発熱し、電極板２５，２５を加熱する。また、電極板２５，２５を加熱し電極板２５，２５に付着したＰＭを燃焼除去することにより、センサ電極部２を再生することができる。

この他、ＥＣＵ６には、電極温度センサ８が接続されている。電極温度センサ８は、センサ電極部２に付着したＰＭの温度に相関のあるパラメータとして電極板２５の温度を検出し、検出信号をＥＣＵ６に出力する。
ここで、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度との関係について説明する。電極板２５の熱容量は、この電極板２５に付着するＰＭの熱容量よりも十分に大きい。このため、電極板２５の温度と異なる温度のＰＭが、この電極板２５に付着しても、ＰＭの温度は電極板２５の温度とほぼ等しくなる。したがって以下では、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度はほぼ等しいものとする。

ＥＣＵ６は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ６は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び後述の図４〜図６に示す制御マップなどが格納された記憶回路と、集塵用ＤＣ電源３、インピーダンス測定器４、ヒータ用ＤＣ電源５２、及び切換スイッチＳＷなどに制御信号を出力する出力回路とを備える。

図３は、ＰＭセンサ１により排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの始動後、ＥＣＵ６により実行される。

ステップＳ１では、ＰＭセンサの暖機、再生、及び校正を実行する。
ステップＳ２では、電極温度センサによりセンサ電極部の温度を検出し、検出した温度を初期電極温度Ｔ_Ｉとして記録する。また、このステップでは、センサ電極部の静電容量を測定し、測定した静電容量を初期静電容量Ｃ_Ｉとして記録する。
ステップＳ３では、上述のステップＳ１においてセンサ電極部を再生したことに応じて、センサ電極部に集塵されているＰＭの総量を示す総ＰＭ集塵量Ｙに「０」をセットする。

ステップＳ４では、センサ電極部が正常な状態であるか否かを判別する。具体的には、このステップでは、先ず、ＰＭが付着していない状態における正常なセンサ電極部の静電容量Ｃ_０とその温度Ｔとを関係付ける図４に示すような制御マップＣ_０（Ｔ）に基づいて、センサ電極部の初期電極温度Ｔ_Ｉに応じたセンサ電極部の静電容量Ｃ_０（Ｔ_Ｉ）を算出する。さらにこの算出した静電容量Ｃ_０（Ｔ_Ｉ）と、測定した初期静電容量Ｃ_Ｉとがほぼ等しいか否かを判別することにより、センサ電極部が正常な状態であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、センサ電極部は正常な状態であると判定し、ステップＳ６に移る。この判別がＮＯの場合には、センサ電極部は正常な状態ではないと判定し、ステップＳ１５に移る。なお、この図４に示す制御マップは、予め行った実験に基づいて作成され、ＥＣＵの記憶回路に格納される。

ステップＳ１５では、センサ電極部が正常な状態ではないと判定されたことに応じて、センサ電極部を再生し、さらにセンサ電極部が故障したか否かを確認する所定の故障確認処理を実行し、ステップＳ１６に移る。
ステップＳ１６では、センサ電極部の故障が確認されたか否かを判別する。センサ電極部の故障が確認された場合には、この処理を終了し、センサ電極部の故障が確認されなかった場合には、ステップＳ１に移る。

ステップＳ６では、センサ電極部に所定の集塵時間ｔに亘って、所定の集塵電圧Ｖを印加することにより、センサ電極部にＰＭを集塵する。これにより、排気のＰＭ濃度に応じた量のＰＭがセンサ電極部に付着する。

ステップＳ７では、電極温度センサによりセンサ電極部の温度を検出し、検出した温度を集塵後電極温度Ｔ_Ａとして記録する。

ステップＳ８では、センサ電極部の電気的特性としての静電容量変化量ΔＣを測定する。ここでは、先ず、ＰＭを集塵した後におけるセンサ電極部の静電容量を測定し、これを集塵後静電容量Ｃ_Ａとして記録する。次に、集塵前のセンサ電極部の静電容量、すなわち、上述の図４に示す制御マップを用いてＣ_０（Ｔ_Ａ）を算出し、集塵後静電容量Ｃ_Ａから集塵前の静電容量Ｃ_０（Ｔ_Ａ）を減算したものを算出し、これを静電容量変化量ΔＣ（＝Ｃ_Ａ−Ｃ_０（Ｔ_Ａ））として記録する。

ステップＳ９では、センサ電極部に集塵されたＰＭの量を示すＰＭ集塵量Ｘを算出する。より具体的には、静電容量変化量ΔＣと集塵後電極温度Ｔ_ＡとＰＭ集塵量Ｘとを関係付ける図５に示すような制御マップに基づいて、測定した静電容量変化量ΔＣと集塵後電極温度Ｔ_Ａとに応じたＰＭ集塵量Ｘを算出する。

図５は、静電容量変化量ΔＣとＰＭ集塵量Ｘとの関係を示す図であり、上述の制御マップの一例を示す図である。この図５には、集塵後電極温度Ｔ_ＡがＴ_Ａ１，Ｔ_Ａ２，Ｔ_Ａ３のときにおける静電容量変化量ΔＣとＰＭ集塵量Ｘとの相関関係のみを示す。
図５に示すように、ＰＭ集塵量Ｘが大きくなると、センサ電極部の静電容量変化量ΔＣも大きくなる。また、このような静電容量変化量ΔＣとＰＭ集塵量Ｘとの相関関係は、集塵後電極温度Ｔ_Ａに応じて変化する。なお、この図５に示す制御マップは、例えば、後述の静電容量の温度特性把握実験に基づいて作成され、ＥＣＵの記憶回路に格納される。

図３に戻って、ステップＳ１０では、排気のＰＭ濃度Ｄを検出する。このステップでは、具体的には、ＰＭ集塵量Ｘと排気のＰＭ濃度Ｄとを関係付ける図６に示すような制御マップに基づいて、算出したＰＭ集塵量Ｘに応じた排気のＰＭ濃度Ｄを算出する。

図６は、排気のＰＭ濃度とセンサ電極部のＰＭ集塵量との関係を示す図である。
図６に示すように、ＰＭ集塵量Ｘが大きくなるに従い、排気のＰＭ濃度Ｄも大きくなる。なお、この図６に示す制御マップは、予め行った実験に基づいて作成され、ＥＣＵの記憶回路に格納される。

図３に戻って、ステップＳ１１では、総ＰＭ集塵量Ｙを更新する。具体的には、算出したＰＭ集塵量Ｘを加算することにより総ＰＭ集塵量Ｙを更新する。

ステップＳ１２では、総ＰＭ集塵量Ｙが所定の最大集塵量Ｙ_ＭＡＸ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１３に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１４に移る。
ステップＳ１３では、センサ電極部を再生するとともに総ＰＭ集塵量Ｙに「０」をセットし、ステップＳ１４に移る。
ステップＳ１４では、ＰＭ濃度の検出を終了するか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはこの処理を終了し、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。

［静電容量の温度特性把握実験］
次に、センサ電極部の静電容量の温度特性を把握するための静電容量の温度特性把握実験について説明する。
図７は、実験装置１１０の構成を示す図である。
実験装置１１０は、エンジン１１１と、このエンジン１１１の下流に設けられた正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３と、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３とで切り換える切換弁１１４と、正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３の下流側に設けられた試験用ＰＭセンサ１１５と、を含んで構成される。

正常ＤＰＦ１１２は、エンジン１１１から排出された排気に含まれるＰＭを捕集するフィルタである。したがって、正常ＤＰＦ１１２の下流側の排気のＰＭ濃度は、ほぼ０である。破損ＤＰＦ１１３は、正常ＤＰＦ１１２を故意に破損したものである。したがって、破損ＤＰＦ１１３の下流側には、所定のＰＭ濃度の排気が流通する。
試験用ＰＭセンサ１１５としては、上述の実施形態と同様の構成のセンサ電極部２を備えるものを準備した。

この温度特性把握実験では、以上のように構成された実験装置１１０を用いて、センサ電極部の静電容量と、センサ電極部の温度との間の関係について、複数の条件の下で測定した。
図８は、本実験の結果を示す図である。図８において、横軸はセンサ電極部の温度を示し、縦軸はセンサ電極部の静電容量を示す。

具体的には、先ず、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させながら、センサ電極部の静電容量を測定した。ここで、エンジン１１１の運転条件を連続的に変更することにより、センサ電極部の温度を変更しながらセンサ電極部の静電容量を測定した。これにより、ＰＭが付着していない状態におけるセンサ電極部の静電容量の温度特性が測定される。この測定結果を、図８に実線８ａで示す。

次に、切換弁１１４を破損ＤＰＦ１１３側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を破損ＤＰＦ１１３に流入させながらセンサ電極部に所定の集塵時間に亘り所定の集塵電圧を印加し、このセンサ電極部に排気のＰＭを集塵した。ここで、センサ電極部に排気のＰＭを集塵した後は、エンジン１１１の運転条件を連続的に変更することにより、センサ電極部の温度を変更しながらセンサ電極部の静電容量を測定した。
また、本実験では、破損ＤＰＦ１１３の破損の度合いを変えることにより、複数の種類のＰＭ濃度の下でセンサ電極部にＰＭを集塵し、異なるＰＭ集塵量のセンサ電極部の静電容量の温度特性を測定した。これら測定結果を、図８にＰＭ集塵量が少ないものから順に３つの破線８ｂ，８ｃ，８ｄで示す。

図８に示すように、一定のセンサ電極部の温度の下では、センサ電極部のＰＭ集塵量が多くなるに従い、センサ電極部の静電容量は大きくなる。また、センサ電極部の温度が高くなるに従い、センサ電極部の静電容量は大きくなる。また、ＰＭ集塵量が異なると、このセンサ電極部の静電容量の温度特性も変化する。

ここで、以上のような測定結果と、上述の図４及び図５に示す制御マップとの関係について説明する。

上述のように、図４は、ＰＭが付着していない状態におけるセンサ電極部の静電容量Ｃ_０とその温度Ｔとを関係付ける制御マップである。したがって、この図４に示す制御マップは、図８の実線８ａで示す測定結果に基づいて作成される。

また、図５は、静電容量変化量ΔＣと集塵後電極温度Ｔ_ＡとＰＭ集塵量Ｘとの関係を示す制御マップである。したがって、集塵後電極温度Ｔ_Ａは、図８における横軸のセンサ電極部の温度に相当する。また、静電容量変化量ΔＣは、図８における縦軸の静電容量から、実線８ａに示すＰＭが付着していない状態におけるセンサ電極部の静電容量を減算したものに相当する。これにより、図８に示す測定結果から、図５に示す制御マップを作成することができる。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、ＰＭが付着したセンサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定し、この測定した静電容量変化量ΔＣと、センサ電極部２の集塵後電極温度Ｔ_Ａとに基づいて、排気のＰＭ濃度Ｄを検出する。これにより、エンジンの運転状態や排気の温度が変動し、センサ電極部２に付着したＰＭの電気物性が変動する場合であっても、このＰＭの電気物性の温度による影響を考慮しながら安定してＰＭ濃度Ｄを検出することができる。

（２）本実施形態によれば、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣと、集塵後電極温度Ｔ_Ａと、センサ電極部のＰＭ集塵量Ｘと、排気のＰＭ濃度Ｄと、の関係を示す図５及び図６に示す制御マップをＥＣＵ６の記憶回路に格納しておく。さらにこれら制御マップを用いて、測定された静電容量変化量ΔＣ及び集塵後電極温度Ｔ_Ａに応じた排気のＰＭ濃度Ｄを検出する。これにより、さらに安定してＰＭ濃度Ｄを検出することができる。

本実施形態では、電極温度センサ８及びＥＣＵ６がパラメータ検出手段を構成し、ＥＣＵ６が濃度検出手段を構成し、ＥＣＵ６が記憶手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ７の実行に係る手段がパラメータ検出手段を構成し、図３のステップＳ１〜Ｓ１６の実行に係る手段が濃度検出手段を構成する。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、電極板２５の温度を電極温度センサ８で検出したが、これに限らない。センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、排気の温度を検出してもよい。

本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係るセンサ電極部の構成を示す斜視図である。 上記実施形態に係るＰＭセンサにより排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係る制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係る制御マップの一例を示す図である。 上記実施形態に係る温度特性把握実験の実験装置の構成を示す図である。 上記実験の結果を示す図である。

符号の説明

１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
２…センサ電極部（電極部）
２５…電極板
３…集塵用ＤＣ電源
４…インピーダンス測定器
５…温度制御装置
６…ＥＣＵ（パラメータ検出手段、濃度検出手段、記憶手段）
８…電極温度センサ（パラメータ検出手段）
ＥＰ…排気管（排気通路）

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路のうち粒子状物質を捕集するフィルタより下流に設けられた電極部を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、
   前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のある温度パラメータを検出するパラメータ検出手段と、
   前記電極部の電気的特性を測定する測定手段と、
   初期状態における前記電極部の電気的特性の値及び前記温度パラメータの値の相関関係を示す第１データと、所定時間の間の前記電気的特性の変化量、前記温度パラメータの値、及び前記排気通路を流通する排気の粒子状物質の濃度の相関関係を示す第２データとが格納された記憶手段と、
   前記初期状態から集塵時間が経過した後における前記温度パラメータの検出値及び前記電気的特性の測定値を取得し、前記温度パラメータの検出値を引数として前記第１データに基づいて前記電気的特性の初期値を算出し、前記測定値から前記初期値を減算することで前記電気的特性の変化量を算出する変化量算出手段と、
   前記温度パラメータの検出値及び前記電気的特性の変化量を引数として前記第２データに基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段と、を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置。
2. 前記初期状態から前記集塵時間が経過するまでの間は、前記電極部に集塵電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
   

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