JP5681655B2 - 微粒子検知システム - Google Patents
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Description
このような微粒子を含む排気ガスは、フィルタで微粒子を捕集して浄化することが行われている。しかるに、フィルタが破損するなどの不具合を生じた場合には、未浄化の排気ガスが直接、フィルタの下流に排出されることとなる。
そこで、排気ガス中の微粒子の量を直接計測したり、フィルタの不具合を検知すべく、フィルタ下流の排気ガス中の微粒子の量を検知可能な微粒子検知システムが求められている。
しかし、微粒子検知システムが稼働している期間において、微粒子の量の検知時のみならず非検知時も含めて、常時、噴射孔から圧縮空気を噴射すべく、常時圧縮機を駆動している場合は、圧縮機の耐久性が問題となる。一方、圧縮機の寿命を延ばすため、微粒子の量の非検知時に圧縮機の駆動を停止させると、噴射孔を通じて気体噴射源内に被測定ガスが逆流して、噴射孔に微粒子が堆積して詰まるなどの不具合が生じる虞がある。
このシステムでは、ダイアフラム式圧縮機を採用する一方、非検知時に圧縮機の負荷を低減して、圧縮機の寿命を延ばしている。このため、システムとして、圧縮機について長寿命で高効率・低騒音としうる。
これに対し、本システムでは、内燃機関の排気管に適用していながらも、圧縮機を負荷の少ない第2駆動条件で駆動することで、非検知時でも噴射孔から圧縮空気を噴射するので、内部空間から気体噴射源内に排気ガスが逆流することがなく、微粒子による噴射孔の詰まりを生じにくく、排気ガス中の微粒子の量を適切に検知できる。
検知部10は、排気管EP(通気管)のうち、取付開口EPOが穿孔された取付部EPTに装着されている。そして、その一部(図2中、取付部EPTよりも右側(先端側))は取付開口EPOを通じて排気管EP内に配置されており、排気ガスEG(被測定ガス)に接触する。
回路部201は、排気管EP外で、複数の配線材からなるケーブル160を介して検知部10に接続されている。この回路部201は、検知部10を駆動するとともに、後述する信号電流Isを検知する回路を有している。
このうち、イオン源電源回路210は、第1電位PV1とされる第1出力端211と、第2電位PV2とされる第2出力端212とを有している。第2電位PV2は、具体的には、第1電位PV1に対して、正の高電位とされている。さらに具体的には、第2出力端212からは、第1電位PV1に対し、100kHz程度の正弦波を半波整流した、1〜2kV0-pの正のパルス電圧が出力される。なお、イオン源電源回路210は、その出力電流についてフィードバック制御され、自律的に、その実効値が予め定めた電流値(例えば、5μA)を保つ定電流電源を構成している。
なお、本実施形態では、この内側回路ケース250は、イオン源電源回路210、補助電極電源回路240及び絶縁トランス270の二次側鉄心271Bを収容して包囲すると共に、ケーブル160の第1電位配線165に導通している。
なお、本実施形態では、この外側回路ケース260は、内部にイオン源電源回路210、補助電極電源回路240、内側回路ケース250、信号電流検知回路230を含む計測制御回路220及び絶縁トランス270の一次側鉄心271Aを収容して包囲すると共に、ケーブル160の接地電位配線167に導通している。
また、計測制御回路220は、マイクロプロセッサ100を含み、通信線CCを介して内燃機関を制御する制御ユニットECUと通信可能となっており、前述した信号電流検知回路230の測定結果(信号電流Isの大きさ)、これを微粒子量などに換算した値、あるいは、微粒子量が所定量を超えたか否かなどの信号を、制御ユニットECUに送信可能となっている。これにより、制御ユニットECUで、内燃機関の制御や、フィルタ(図示しない)の不具合警告を発するなどの動作が可能となる。
なお、本実施形態では、絶縁トランス270は、補助電極電源回路240に電力を供給する補助電極絶縁トランスをも兼ねている。
この圧縮空気源300の圧縮機301は、圧縮機駆動回路320によって駆動される。また、この圧縮機駆動回路320は、計測制御回路220のマイクロプロセッサ100に接続され、このプロセッサ100によって制御される。
なお、本実施形態のシステム1では、圧縮機301として、ダイアフラム式圧縮機を採用している。また、圧縮空気源300は、圧縮機301で生成した圧縮空気AKをそのまま供給する。
その他、送気パイプ310は、内側回路ケース250内を通じて、ケーブル160のエアパイプ163に連通されている。
また、ケーブル160の補助電位配線162の先端側は、第1導通部材13内で、補助電極体50に接続されている。この補助電極体50は、ステンレス線からなり、その先端側は、U字状に曲げ返されており、さらにその先の先端部分に、後述する補助電極をなす補助電極部53を有する。
また、第1導通部材13は、針状電極体20及び補助電極体50のうち、排気管EP外に位置する部位の径方向周囲を包囲している。
また、ノズル部31は、第1導通部材13と電気的にも導通して、第1電位PV1とされている。
微粒子帯電部12内の空間のうち、上述の円柱状の空間を、円柱状混合領域MX1とする。また、捕集極42で構成されるスリット状の内部空間を、スリット状混合領域MX2とする。そして、これら円柱状混合領域MX1及びスリット状混合領域MX2を併せて、混合領域MXとする。さらに、捕集極42よりも先端側にも、円柱状の空間が形成されており、排出口43Oに連通する排出路EXをなしている。加えて、捕集極42の基端側には、取入口33Iから混合領域MX(円柱状混合領域MX1)に連通する引き込み路HKが形成されている。なお、微粒子帯電部12が、本発明の「空間形成部材」に相当し、イオン気体噴射源11と隣り合う混合領域MXが、本発明の「内部空間」に相当する。
針状電極体20は、ケーブル160の第2電位配線161を介して、イオン源電源回路210の第2出力端212に接続、導通している。従って、この針状電極体20は、前述したように、第1電位PV1に対して、100kHz,1〜2kV0-pの正の半波整流パルス電圧である、第2電位PV2とされる。
また、補助電極体50は、ケーブル160の補助電位配線162を介して、補助電極電源回路240の補助第2出力端242に接続、導通している。従って、この補助電極体50は、前述したように、第1電位PV1に対して、100〜200Vの正の直流電位である、第3電位PV3とされる。
さらに、第1導通部材13,ノズル部31,微粒子帯電部12は、ケーブル160の第1電位配線165を介して、イオン源電源回路210の第1出力端211、補助電極電源回路240の補助第1出力端241、これらの回路を囲む内側回路ケース250、及び信号電流検知回路230の信号入力端231に接続、導通している。これらは、第1電位PV1とされる。
加えて、外装部材14は、ケーブル160の接地電位配線167を介して、信号電流検知回路230を含む計測制御回路220を囲む外側回路ケース260及び信号電流検知回路230の接地入力端232に接続、導通している。これらは、排気管EPと同じ、接地電位PVEとされる。
本実施形態では、針状先端部22とノズル部31が気中放電(コロナ放電)を発生する2つの電極に相当する。また、放電空間DSを囲む、ノズル部31、針状先端部22が、イオン気体噴射源11をなしている。
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、図3に示すように、この微粒子Sも混合領域MX内に取り入れられる。ところで、噴射された空気ARには、イオンCPが含まれている。このため、取り入れられたススなどの微粒子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43Oから、取入排気ガスEGI及び空気ARと共に排出される。
一方、混合領域MXに噴射されたイオンCPのうち、微粒子Sに付着しなかった浮遊イオンCPFは、補助電極体50の補助電極部53から斥力を受け、第1電位PV1とされた捕集極42をなす微粒子帯電部12に各部に付着し捕捉される。
また、イオン気体噴射源11で生成され、ここから噴射されたイオンCPの多くは捕集極42で捕集される。捕集極42で捕集された浮遊イオンCPFが有していた電荷に起因する捕集電流Ihも、捕集極42(微粒子帯電部12)に導通する第1導通部材13を通じて、第1出力端211に流れ込む。つまり、第1導通部材13には、これらの和である受電捕集電流Ijh(=Ij+Ih)が流れる。
そこで、本システム1では、第1出力端211に導通する信号入力端231と、接地電位PVEに導通する接地入力端232とを有し、これらの間を流れる電流を検知する信号電流検知回路230を設けることで、接地電位PVEから外装部材14、ケーブル160の接地電位配線167、外側回路ケース260を経由し、計測制御回路220のうち信号電流検知回路230を通じ、さらに内側回路ケース250を通って、第1出力端211に流れる信号電流Isを検知する。
この差分(放電電流Id−受電捕集電流Ijh)に相当する信号電流Isの大きさは、排出された帯電微粒子SCに付着して排出された排出イオンCPHの電荷の量、したがって、取入排気ガスEGI中の微粒子Sの量、ひいては、排気管EPを流れる排気ガスEG中の微粒子Sの量に対応して増減する。
従って、この信号電流Isを信号電流検知回路230で検知することにより、排気ガスEG中の微粒子Sの量が検知できる。
一方、圧縮機301の寿命を延ばすため、微粒子Sの量の非検知時に圧縮機301の駆動を停止させると、混合領域MX(円柱状混合領域MX1)からノズル31Nを通じてイオン気体噴射源11内に排気ガスEGが逆流して、ノズル31Nに微粒子Sが堆積して詰まるなどの不具合が生じる虞がある。
具体的には、微粒子Sの量の検知時においては、ノズル31Nから第1流量Q1の空気ARを噴射させる駆動条件(第1駆動条件JK1)で、圧縮機駆動回路320により圧縮機301が駆動している。その一方、非検知時には、ノズル31Nから第1流量Q1よりも少ない第2流量Q2の空気ARを噴射させる駆動条件(第2駆動条件JK2)で、圧縮機駆動回路320により圧縮機301を駆動している。この第2駆動条件JK2では、圧縮機301の負荷が低減される一方、非検知時においても、ノズル31Nから第2流量Q2の空気ARが噴射されるので、ノズル31Nを通じて混合領域MX(円柱状混合領域MX1)からイオン気体噴射源11に排気ガスEGが逆流することはない。
エンジンENGのキースイッチ(図示しない)がONにされると、微粒子検知システム1(計測制御回路220のマイクロプロセッサ100)が起動され、ステップS1で必要な初期設定がなされる。その後、ステップS2において、圧縮機駆動回路320に向けて圧縮機301の駆動停止指示を送出する。
このステップS4では、微粒子Sの検知タイミングであるか否かを判断する。微粒子Sの検知のタイミングの制御は、マイクロプロセッサ100において、圧縮機駆動回路320の制御とは別のプログラムにより並列に処理・実行されており、ステップS4では、別プログラムの実行状態に基づき、検知タイミングを判断する。
ここで微粒子Sの非検知時である場合(No)には、ステップS6に進み、圧縮機駆動回路320に向けて第2駆動条件JK2で圧縮機301を駆動する旨の指示(第2指示)を送出する。従って、圧縮機301は、第2駆動条件JK2で駆動され、ノズル31Nから噴射される空気ARの流量は、第2流量Q2とされる。その後、ステップS7に進む。
一方、微粒子Sの検知タイミングである場合(Yes)には、ステップS5に進み、圧縮機駆動回路320に向けて第1駆動条件JK1で圧縮機301を駆動する旨の指示(第1指示)を送出する。従って、圧縮機301は、第1駆動条件JK1で駆動され、ノズル31Nから噴射される空気ARの流量は、第1流量Q1とされる。その後、こちらもステップS7に進む。
一方、エンジンENGが停止した場合(Yes)には、ステップS8に進み、圧縮機駆動回路320に向けて圧縮機301の駆動停止指示を送出し、終了する。
例えば、上記実施形態では、圧縮機301として、ダイアフラム式圧縮機を用いたが、これに限られない。例えば、ピストン式圧縮機やスクリュー式圧縮機を用いても良い。
また、上記実施形態では、気体噴射源11は、イオン気体噴射源11とされ、イオンCPを生成すると共に、生成したイオンCPを噴射する形態としたが、これに限られない。例えば、圧縮空気源300から供給された圧縮空気AKのみを噴射する形態としても良く、また、別途生成したイオンCPを受け入れ、圧縮空気AKと共に噴射する形態としても良い。
ENG エンジン(内燃機関)
EP 排気管(通気管)
EG 排気ガス
EGI 取入排気ガス
S 微粒子
SC 帯電微粒子
CP イオン
CPF 浮遊イオン
CPH 排出イオン
Is 信号電流
1 微粒子検知システム
10 検知部
11 イオン気体噴射源(気体噴射源)
12 微粒子帯電部(空間形成部材)
20 針状電極体
22 (針状電極体の)針状先端部(イオン気体噴射源)
31 ノズル部(イオン気体噴射源,微粒子帯電部)
31N ノズル(噴射孔)
PV1 第1電位
PV2 第2電位
PV3 第3電位
PVE 接地電位
MX 混合領域(内部空間)
42 捕集極
50 補助電極体
53 (補助電極体の)補助電極部(補助電極)
AK 圧縮空気
AR 空気
300 圧縮空気源
301 圧縮機
320 圧縮機駆動回路
Q1 第1流量
Q2 第2流量
JK1 第1駆動条件
JK2 第2駆動条件
S5 第1指示手段
S6 第2指示手段
100 マイクロプロセッサ(制御手段)
201 回路部
210 イオン源電源回路
220 計測制御回路
230 信号電流検知回路
240 補助電極電源回路
Claims (5)
- 通気管内を流通する被測定ガス中の微粒子の量を検知する微粒子検知システムであって、
上記通気管に装着され、上記被測定ガスに接触する検知部と、
圧縮空気を生成する圧縮機を含み、上記検知部に上記圧縮空気を供給する圧縮空気源と、
上記圧縮機を駆動する圧縮機駆動回路と、
上記圧縮機駆動回路を制御する制御手段と、を備え、
上記検知部は、
上記被測定ガスが導入される内部空間を構成する空間形成部材と、
上記内部空間と隣り合うと共に、上記圧縮空気源から供給された上記圧縮空気を自身に形成された噴射孔を通じて上記内部空間に向けて噴射する気体噴射源を有し、
上記圧縮機駆動回路による上記圧縮機の駆動条件のうち、
上記噴射孔から第1流量の空気を噴射させる駆動条件を第1駆動条件とし、
上記噴射孔から上記第1流量よりも少ない第2流量の空気を噴射させる駆動条件を第2駆動条件としたとき、
上記制御手段は、
上記微粒子の量の検知時には、上記圧縮機駆動回路に上記第1駆動条件での駆動を指示する第1指示手段と、
上記微粒子の量の非検知時には、上記圧縮機駆動回路に上記第2駆動条件での駆動を指示する第2指示手段とを有する
微粒子検知システム。 - 請求項1に記載の微粒子検知システムであって、
前記気体噴射源は、
気中放電によりイオンを生成し、生成した上記イオンを、前記圧縮空気と共に噴射するイオン気体噴射源である
微粒子検知システム。 - 請求項1または請求項2に記載の微粒子検知システムであって、
前記圧縮機は、ダイアフラム式圧縮機である
微粒子検知システム。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の微粒子検知システムであって、
前記通気管は、内燃機関の排気管であり、
前記被測定ガスは、上記排気管内を流通する排気ガスである
微粒子検知システム。 - 請求項4に記載の微粒子検知システムであって、
前記排気管は、車載された前記内燃機関の排気管である
微粒子検知システム。
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