JP5521578B2 - Pm検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ガス中のPMを捕集し、堆積したPMを高温の排気ガスにより燃焼除去するDPFに係り、簡素な構成で、正確にPMの堆積量を検出することができるPM検出装置に関する。
ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ(Diesel Particulate Filter;以下、DPFという)を設置し、排気ガスに含まれる煤、すなわち粒子状物質(Particurate Matter;以下、PMという)を捕集している。DPFは、主としてセラミックからなり、ハニカム細孔(又は四角い細孔)を多数有するフィルタである。DPFでは、排気ガスの通路となるハニカム細孔の表面にPMが付着することでPMが捕集される。
DPFに捕集されたPMが過度に多く堆積すると、内燃機関の排圧が上昇し内燃機関の特性の低下をきたす。そこで、内燃機関において必要に応じて主噴射後に追加燃料噴射を行う追加燃料噴射制御を行うことによって、排気温度を上昇させ、これによってDPFを昇温させてDPFに堆積したPMを燃焼させて除去する。この動作をDPF強制再生という。
DPF強制再生時に、PMの堆積量が多いと、大量のPMが燃焼して温度が過度に上昇し、DPFが溶損してしまう。これを避けるためには、PMの堆積量を検出し、その検出した堆積量に基づいてDPF強制再生を開始するのが望ましい。ところが、従来は、正確に堆積量を検出できないので、安全係数を比較的多く取り、検出した堆積量があまり大きくならないうちにDPFを強制再生している。この結果、必要以上に短い間隔でDPF強制再生が実行されることになる。
しかし、必要以上に短い間隔でDPF強制再生を実行すると燃料が余分に消費されることになり、燃費が悪化する。したがって、PMの堆積量を正確に検出し、最も適切な時期にDPF強制再生を行うようにするのが望ましい。
先に本発明者らは、DPFに複数の電極を設置すると、電極間の静電容量がPMの堆積量によって変化するという知見を得て、これによるPMセンサの出願を行った。しかしながら、DPFに電極を設置したPMセンサによる静電容量は非常に小さいため、従来の技術では安価な装置での測定が困難である。
従来技術では、静電容量測定対象に対して固定コンデンサか固定抵抗器を直列に接続しておき、高周波の交流電流を流すことで静電容量測定対象の両端間に電圧を発生させ、この電圧を整流した後、ローパスフィルタに通してADコンバータに入力し、ADコンバータで読み取られた電圧から静電容量を算出する。
ところが、PMセンサの静電容量は非常に小さく、例えば、数pFから数百pFである。印加する交流電流の周波数を数百KHz以下とすると、非常にインピーダンスが高い。したがって、検出回路も相応に高いインピーダンスを持つ必要があるが、素子、配線の分布容量などの面から、高いインピーダンスを確保することが難しく、正確な静電容量の測定ができない。
一方、インピーダンスを下げるために、交流電流の周波数を高くすると、通信に使用されている周波数帯となり、不要輻射の問題が生じると共に、PMセンサと検出回路間の配線に発生する定在波の影響のため、配線の長さ、特性インピーダンスにより、PMセンサの特性が大きく変化してしまう。さらに、読み取られた電圧から静電容量を算出するには交流電流の電圧が正確でなければならないが、正確な振幅の交流電源を得るためには、複雑な制御回路が必要となり、動作の安定性やコストの面で不利である。
このように、電極間の静電容量がPMの堆積量によって変化するようにしたPMセンサでは、従来技術で静電容量を正確に測定することができないため、正確にPMの堆積量を検出するのが困難である。
また、PMセンサの設置場所であるDPFと検出回路の設置場所とは、車両内の同じ場所とは限らない。このため、PMセンサから検出回路までを繋ぐ信号ハーネスは、ある程度の長さを有する。PMセンサの静電容量が非常に小さいため、DPFから検出回路の設置場所まで配線された信号ハーネスが持つ浮遊容量がPMセンサの静電容量に対して無視できない。したがって、PMセンサの静電容量から正確にPMの堆積量を検出するには、信号ハーネスの浮遊容量を効果的に補正あるいは補償する手段が望まれる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡素な構成で、正確にPMの堆積量を検出することができるPM検出装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPF)における粒子状物質(以下、PM)の堆積量を検出するPM検出装置であって、DPF内に配置された2つの電極間の静電容量がPMの堆積量によって変化するPMセンサと、電気的に制御される可変抵抗器と3つの固定抵抗器が順次接続され、前記可変抵抗器に前記PMセンサが並列接続され、前記可変抵抗器に隣接する固定抵抗器の1つに、電気的に制御される可変コンデンサと前記PMセンサに付随する浮遊容量に等価な静電容量を有する補償部材とが並列接続されてなるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の4つの接続点のうち、前記可変コンデンサ及び固定抵抗器と前記可変抵抗器及びPMセンサとが接続された接続点とその対角に位置する接続点が電圧印加点となっており、前記電圧印加点間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源及び交流電源と、前記電圧印加点間に直流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変抵抗器を調整し、その後、前記電圧印加点間に交流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変コンデンサを調整し、このときの前記可変コンデンサの静電容量からPMの堆積量を検出する検出部とを備えたものである。
前記PMセンサと前記可変抵抗器が信号ハーネスを介して接続され、前記補償部材が前記信号ハーネスの浮遊容量、温度係数と等しい浮遊容量、温度係数を有する補償ハーネスからなってもよい。
前記補償ハーネスが前記ブリッジ回路の設置場所から前記PMセンサの設置場所まで前記信号ハーネスに沿わせて配線されてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
(1)構成が簡素である。
(2)正確にPMの堆積量を検出することができる。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1に示されるように、本発明に係るPM検出装置1は、DPF2内に配置された2つの電極間の静電容量がPMの堆積量によって変化するPMセンサ3と、電気的に制御される可変抵抗器4と3つの固定抵抗器5,6,7が順次接続され、可変抵抗器4にPMセンサ3が並列接続され、可変抵抗器4に隣接する固定抵抗器5に電気的に制御される可変コンデンサ8とPMセンサ3に付随する浮遊容量Cfに等価な静電容量Cfcを有する補償部材9とが並列接続されてなるブリッジ回路10と、ブリッジ回路10の4つの接続点のうち、可変コンデンサ8及び固定抵抗器5と可変抵抗器4及びPMセンサ3とが接続された接続点aとその対角に位置する接続点bが電圧印加点a,bとなっており、電圧印加点a,b間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源11及び交流電源12と、電圧印加点a,b間に直流電圧を印加してブリッジ回路10が平衡するよう可変抵抗器4を調整し、その後、電圧印加点a,b間に交流電圧を印加してブリッジ回路10が平衡するよう可変コンデンサ8を調整し、このときの可変コンデンサ8の静電容量からPMの堆積量を検出する検出部13とを備える。
さらに、本実施形態では、PM検出装置1は、ブリッジ回路10の4つの接続点のうち、電圧印加点a,bに挟まれた2つの接続点c,dが測定点となっており、測定点c,dのそれぞれにプラス入力端子とマイナス入力端子が接続された差動増幅器14を備え、検出部13は、電圧印加点a,b間に直流電圧が印加されたときには差動増幅器14の出力が0となるように可変抵抗器4を調整し、電圧印加点a,b間に交流電圧が印加されたときには差動増幅器14の出力が0となるように可変コンデンサ8を調整するようになっている。
DPF2は、従来公知のもので、多数のハニカム細孔を有するセラミックから構成される。
PMセンサ3は、図2に示されるように、DPF2に捕集されたPMの堆積量が増えるとそれに比例して静電容量が増える特性を有する。
図3(a)に示したPMセンサ3aは、円柱状のDPF2の外周の片側半分に沿わせて円筒片状の1つの電極31を設け、反対側半分に沿わせて円筒片状のもう1つの電極32を設けたものである。これにより、2つの電極31,32がDPF2を両側から挟んで互いに対向し、DPF2にPMが捕集されると、電極31,32間に存在するPMの影響で静電容量が変化する。
図3(b)に示したPMセンサ3bは、円柱状のDPF2の外周全体を覆うように円筒状の1つの電極33を設け、DPF2の中心部に円筒状のもう1つの電極34を設けたものである。これにより、2つの電極33,34がDPF2の内外に同心状に配置され、DPF2にPMが捕集されると、電極33,34間に存在するPMの影響で静電容量が変化する。
図3(c)に示したPMセンサ3cは、円柱状のDPF2の外周全体を覆うように円筒状の1つの電極35を設け、DPF2の中心部に線が円筒状に複数本配置されてなるもう1つの電極36を設けたものである。
図3(d)に示したPMセンサ3dは、円柱状のDPF2の上流と下流それぞれにメッシュ状の2つの電極37,38を設けたものである。
図1の説明に戻る。
可変抵抗器4は、検出部13から電気的に制御されて抵抗値が変化するものである。例えは、回転式ポテンショメータをステッピングモータで回転させるもの、回転式ポテンショメータをDCモータで回転させて回転角センサで回転角を制御するもの、複数の抵抗器からなる梯子回路のタップを切り替えるものなどからなり、適宜な上限抵抗値と下限抵抗値の間で、無段階に、あるいは適宜なきざみで段階的に抵抗値が変化するようになっている。
固定抵抗器5,6,7は、従来公知のものを用いる。固定抵抗器5,6,7の抵抗値は、互いに異なってもよく、互いに等しい抵抗値であってもよい。
可変コンデンサ8は、回転式エアバリコンをステッピングモータで回転させるもの、回転式エアバリコンをDCモータで回転させて回転角センサで回転角を制御するもの、静電容量の異なる複数の固定コンデンサを適宜組み合わせて繋ぎ替えることにより、値の異なる複数の合成の静電容量を得るものなどからなり、適宜な上限静電容量と下限静電容量の間で、無段階に、あるいは適宜なきざみで段階的に静電容量が変化するようになっている。
補償部材9は、PMセンサ3に付随する浮遊容量Cfに等価な静電容量Cfcを有する。ここで、図4に示されるように、DPF2内のPMセンサ3と回路基板15に搭載されたブリッジ回路10の可変抵抗器4(図示省略)とは、信号ハーネス16で接続されている。PMセンサ3に付随する浮遊容量Cfは、信号ハーネス16によりもたらされる。したがって、補償部材9は、信号ハーネス16の浮遊容量Cfが既知であれば単体部品としてのコンデンサでも実現できる。しかし、本実施形態では、補償部材9は、信号ハーネス16の浮遊容量Cf及び温度係数と等しい浮遊容量Cfc及び温度係数を有する補償ハーネス17、例えば、信号ハーネス16と同一仕様、あるいは同一品番の電線を信号ハーネス16と同じ長さ用いた補償ハーネス17で構成する。補償ハーネス17は、ブリッジ回路10を搭載した回路基板15の設置場所からPMセンサ3が設置されたDPF2まで信号ハーネス16に沿わせて配線される必要がある。
図1のブリッジ回路10は、電圧印加点a,bと測定点c,dを有するいわゆるホイートストンブリッジを構成するものであり、直流時には4つの抵抗からなる抵抗ブリッジとなり、交流時には4つの交流インピーダンスからなる交流インピーダンスブリッジとなる。
直流電源11は、車載のバッテリ電源あるいはバッテリ電源を一次電源とする二次直流電源などが利用できる。直流電源11は、電圧印加点a,b間に直流電圧を印加するかしないかを検出部13から制御可能である。
交流電源12は、ブリッジ回路10中のPMセンサ3と可変コンデンサ8を交流インピーダンスとして動作させるためのもので、例えば、発振器で構成される。周波数としては、不要輻射の問題が生じない低い周波数とするのが好ましく、例えば、数百KHz以下とする。交流電源12は、電圧印加点a,b間に交流電圧を印加するかしないかを検出部13から制御可能である。
検出部13は、プログラム式のデジタル回路であり、直流電源11、交流電源12、可変抵抗器4、可変コンデンサ8を制御すると共に、差動増幅器14の出力電圧を読み取り、ブリッジ回路10の平衡点を検出することができる。検出部13は、車両の燃料噴射等を制御する電子制御装置(ECU)に組み込むのが好ましい。
差動増幅器14は、プラス入力端子とマイナス入力端子の電圧の差を増幅して出力する演算増幅器である。
図5に示されるように、本発明のPM検出装置1は、車両の内燃機関51から大気までの排気ガスの排出流路52に挿入されたDPF2におけるPMの堆積量を検出するものである。DPF2内にはPMセンサ3が設置される。ブリッジ回路10、直流電源11(二次直流電源の場合)、交流電源12、差動増幅器14は、回路基板15に搭載される。回路基板15と検出部13は、車室内、エンジンルーム内、車体下面など適宜な場所に設置することができる。回路基板15と検出部13は、一体化させて同一のユニットとしてもよい。信号ハーネス16と補償ハーネス17は、例えば、同一シース内に4本以上の多数の被覆電線を収容した多心ケーブルで実現される。
以下、本発明のPM検出装置1の動作を説明する。
まず、簡単のため、図1のPM検出装置1においてPMセンサ3に付随する浮遊容量Cfと補償部材9による静電容量Cfcを除外して、基本的な動作を説明する。
PMセンサ3においては、2つの電極間の静電容量が捕集されたPMの堆積量に応じて図2のようにほぼ直線的に変化する。よって、PMセンサ3の静電容量に基づいてPMの堆積量を検出することができる。これは、電極間に導体であるPMが入ることで、見かけ上、電極間距離が小さくなり静電容量が大きくなる、また、電極間の媒体中にPMが増加して誘電率が大きくなり静電容量が大きくなるからと考えられる。
本発明では、図1のブリッジ回路10において交流インピーダンスブリッジが平衡状態のとき、可変コンデンサ8の静電容量とPMセンサ3の静電容量が等しくなることから、可変コンデンサ8の静電容量に基づいてPMの堆積量を検出する。ただし、これに先立ち、ブリッジ回路10において抵抗ブリッジの平衡を得る必要がある。これは、交流インピーダンスブリッジのみで平衡をとろうとすると、平衡を与える抵抗値と静電容量の組み合わせが複数存在し、静電容量が1つに定まらないからである。
検出部13は、直流電源11を制御して電圧印加点a,b間に直流電圧を印加する。この状態で、ブリッジ回路10が平衡するよう可変抵抗器4を調整する。具体的には、検出部13は、可変抵抗器4の上限抵抗値と下限抵抗値の間で抵抗値を掃引するように可変抵抗器4を制御しつつ、差動増幅器14の出力を読み込む。ブリッジ回路10の平衡がとれると、測定点c,d間に電圧の差が生じない状態となるので、差動増幅器14の出力が0又は微小となる。検出部13は、差動増幅器14の出力が0又は微小となる抵抗値に可変抵抗器4を固定する。
その後、検出部13は、直流電圧の印加を停止し、交流電源12を制御して電圧印加点a,b間に交流電圧を印加する。この状態で、ブリッジ回路10が平衡するよう可変コンデンサ8を調整する。具体的には、検出部13は、可変コンデンサ8の上限静電容量と下限静電容量の間で、静電容量を掃引するように可変コンデンサ8を制御しつつ、差動増幅器14の出力を読み込む。ブリッジ回路10の平衡がとれると、測定点c,d間に電圧の差が生じない状態となるので、差動増幅器14の出力が0又は微小となる。
このようにしてブリッジ回路10が直流と交流において平衡すると、検出部13は、可変コンデンサ8の静電容量に基づいてPMの堆積量を検出する。可変コンデンサ8の静電容量は、検出部13が制御によって与える値であるので、この値とPMの堆積量との対照表をあらかじめ検出部13に設定しておけば、検出部13は、対照表からPMの堆積量を読み出して検出結果とすることができる。
なお、ブリッジ回路10の平衡は、直流における平衡と交流における平衡を1回ずつ行うにとどまらず、直流における平衡と交流における平衡を交互に複数回繰り返すのが望ましい。
次に、補償部材9の効果を説明する。
ここまでの説明では、ブリッジ回路10が直流と交流において平衡したとき、可変コンデンサ8の静電容量とPMセンサ3の静電容量が等しくなるとした。しかし、信号ハーネス16による浮遊容量CfがPMセンサ3に付随するため、検出される可変コンデンサ8の静電容量に浮遊容量Cfの成分が含まれてしまう。これに対処し、補償部材9による静電容量Cfcをあらかじめ付加しておくことで、検出される可変コンデンサ8の静電容量に浮遊容量Cfの成分が含まれないようにすることができる。これにより、ブリッジ回路10が直流と交流において平衡したとき、可変コンデンサ8の静電容量とPMセンサ3の静電容量が正確に等しくなる。
以上説明したように、本発明のPM検出装置1によれば、ブリッジ回路10が平衡となる可変コンデンサ8の静電容量を探ることによってPMセンサ3の静電容量を知ることができる。可変コンデンサ8の静電容量は、検出部13が制御によって与えた値であるから、正確である。よって、検出されたPMの堆積量は正確となる。
本発明のPM検出装置1によれば、交流電源12が印加する交流電圧の振幅値とは無関係にブリッジ回路10の平衡をとることができるので、交流電圧の振幅値が正確である必要はない。このため、交流電源12を構成する発振器回路は、簡素な構成とすることができる。これにより、交流電源12は安価でありながら、信頼性の高いものとすることができる。
本発明のPM検出装置1によれば、PMセンサ3に付随する浮遊容量Cfに等価な静電容量Cfcを有する補償部材9が可変コンデンサ8と並列接続されるので、浮遊容量Cfと静電容量Cfcとが相殺されて、可変コンデンサ8の静電容量をPMセンサ3の静電容量に正確に等しく制御することができ、検出されたPMの堆積量は正確となる。
本発明のPM検出装置1によれば、補償部材9を信号ハーネス16の浮遊容量Cfと等しい浮遊容量Cfcを有する補償ハーネス17で構成することにより、簡単に補償ハーネス17を提供できる。
本発明のPM検出装置1によれば、温度係数が信号ハーネス16と同じの補償ハーネス17を、ブリッジ回路10の設置場所からPMセンサ3の設置場所まで信号ハーネス16に沿わせて配線することにより、周囲環境を同じとすることができる。これにより、補償ハーネス17と信号ハーネス16の温度を同じにすることができ、温度に依存して浮遊容量Cfと浮遊容量Cfcがずれることが防止され、PMの堆積量がより正確に検出される。また、補償ハーネス17と信号ハーネス16の曲がり形状や近隣の金属部材との距離など浮遊容量に影響する構造的要因を同じにすることができ、構造的要因に依存して浮遊容量Cfと浮遊容量Cfcがずれることが防止され、PMの堆積量がより正確に検出される。
車両の形式や種類によってブリッジ回路10の設置場所からPMセンサ3の設置場所までの距離がまちまちであるため、信号ハーネス16の長さが異なり、浮遊容量Cfも異なる。しかし、本発明のPM検出装置1によれば、補償ハーネス17を信号ハーネス16に沿わせて同じ長さ配線することにより、浮遊容量Cfと浮遊容量Cfcを車両の形式や種類によらず同じにできる。
1 PM検出装置
2 DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)
3 PMセンサ
4 可変抵抗器
5,6,7 固定抵抗器
8 可変コンデンサ
9 補償部材
10 ブリッジ回路
11 直流電源
12 交流電源
13 検出部
14 差動増幅器
15 回路基板
16 信号ハーネス
17 補償ハーネス
2 DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)
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5,6,7 固定抵抗器
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11 直流電源
12 交流電源
13 検出部
14 差動増幅器
15 回路基板
16 信号ハーネス
17 補償ハーネス
Claims (3)
- 内燃機関から大気までの排気ガスの排出流路に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPF)における粒子状物質(以下、PM)の堆積量を検出するPM検出装置であって、
DPF内に配置された2つの電極間の静電容量がPMの堆積量によって変化するPMセンサと、
電気的に制御される可変抵抗器と3つの固定抵抗器が順次接続され、前記可変抵抗器に前記PMセンサが並列接続され、前記可変抵抗器に隣接する固定抵抗器の1つに、電気的に制御される可変コンデンサと前記PMセンサに付随する浮遊容量に等価な静電容量を有する補償部材とが並列接続されてなるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の4つの接続点のうち、前記可変コンデンサ及び固定抵抗器と前記可変抵抗器及びPMセンサとが接続された接続点とその対角に位置する接続点が電圧印加点となっており、前記電圧印加点間に直流電圧と交流電圧を選択的に印加するための直流電源及び交流電源と、
前記電圧印加点間に直流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変抵抗器を調整し、その後、前記電圧印加点間に交流電圧を印加して前記ブリッジ回路が平衡するよう前記可変コンデンサを調整し、このときの前記可変コンデンサの静電容量からPMの堆積量を検出する検出部とを備えたことを特徴とするPM検出装置。 - 前記PMセンサと前記可変抵抗器が信号ハーネスを介して接続され、
前記補償部材が前記信号ハーネスの浮遊容量、温度係数と等しい浮遊容量、温度係数を有する補償ハーネスからなることを特徴とする請求項1記載のPM検出装置。 - 前記補償ハーネスが前記ブリッジ回路の設置場所から前記PMセンサの設置場所まで前記信号ハーネスに沿わせて配線されたことを特徴とする請求項2記載のPM検出装置。
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