JP6182018B2 - 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、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。
また、特許文献2には、このようなコロナ放電によって発生させたイオンを用いる微粒子センサについて、その具体的な構成が開示されている。この特許文献2に開示されているように、コロナ放電のための電力を供給する電力供給回路としては、一般に定電流回路が用いられており、コロナ放電に際して、例えば5μA程度の一定の電流をコロナ放電用の電極に供給する。
しかしながら、前述したように、イオン源駆動回路によるイオン源の作動を開始した直後は、気中放電電流が安定していない上、イオン源の周囲に凝縮水や煤が付着して、イオン源の絶縁性が低下することなどにより、気中放電電流が目標電流になかなか収束しない場合がある。そして、このような気中放電電流が安定していない状態では、発生するイオン量にばらつきを生じるため、検知回路で検知した帯電微粒子の量に応じた信号(例えば、帯電微粒子の量に応じて流れる電流)を用いて、微粒子の量を精度良く検知することが難しい。
これにより、気中放電電流が安定した状態で、検知回路で検知した信号を用いた微粒子の量の検知を開始できるので、発生するイオン量が安定し、微粒子の量を精度良く検知することができる。
したがって、この微粒子検知システムでは、イオン源の作動の開始当初に、気中放電電流が許容範囲内に収束して、微粒子の量の検知を開始できるときは、ヒータに通電しないので、ヒータへの通電による消費電力を低減することができる。
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、後述するマイクロプロセッサ202によって、出力電流がフィードバック制御され、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。また、マイクロプロセッサ202は、このイオン源電源回路210が流す出力電流(後述する放電電流Id)の大きさを、図示しないアイソレーションアンプ回路を通じて、検知可能になっている。
また、計測制御回路220は、マイクロプロセッサ202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、信号電流検知回路230で検知した信号電流Isの大きさに対応する微粒子Sの量の換算値などを、制御ユニットECUに送信可能となっている。
ヒータ通電回路226は、第1ヒータ接続配線169a及び第2ヒータ接続配線169bに接続、導通している。
その他、送気パイプ310は、ケーブル160のエアパイプ163に連通されている。
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(図3参照)。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。
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。一方、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。また、第1導通部材13,ノズル部31,微粒子帯電部12は、第1電位PV1とされる。加えて、外装部材14は、信号電流検知回路230の接地入力端232及び排気管EPと同じ、接地電位PVEとされる。
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、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を経由し、信号電流検知回路230を通じ、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、これに対応する排気ガスEG中の微粒子Sの量が検知できる。なお、本システム1では、予め定めた参照テーブルを用いた換算を行うことにより、検知した信号電流Isから微粒子Sの量の換算値を得ている。
信号電流Isを用いて微粒子Sの量を精度良く検知するためには、この定電流制御された放電電流Idが安定している必要がある。しかしながら、イオン源電源回路210でイオン源11の作動を開始させた直後は、この放電電流Idが安定していない場合が多い。また、イオン源11の周囲に凝縮水や煤が付着して、イオン源11の絶縁性が低下することなどにより、例えば、図5に実線や破線で示すグラフのように、ハンチングを繰り返したり、当初の電流値が大きくなり過ぎたりして、放電電流Idが目標電流Itになかなか収束しない場合がある。そして、このような状態では、コロナ放電で発生するイオンCPの量にばらつきを生じるため、この放電電流Idが不安定な状態のまま、信号電流検知回路230で信号電流Isを検知しても、微粒子Sの量を精度良く検知することが難しい。
まず、図6に示すステップS1では、必要な初期設定を行った後、イオン源電源回路210によりイオン源11の作動を開始する。なお、この際、マイクロプロセッサ202は、別途、放電電流Idの定電流制御を行う。これにより、コロナ放電が開始される。
図7に示すステップS21では、所定時間(=10秒)を計測するためのタイムアップカウンタの値を0にする。続くステップS22では、放電電流Idが、許容範囲IR内に収束したか否かの判定に用いる収束カウンタの値を0にする。
さらに、続くステップS23では、10msecを計時するタイマを用いて、10msecが経過したか否かを判断し、10msecが経過していない場合(No)は、このステップS23を繰り返す。そして、10msecが経過すると、ステップS23でYesとなって、ステップS24に進む。これにより、10msec毎に、ステップS24以下の処理が実行される。
さらに、続くステップS26では、タイムアップカウンタの値が、1000以上になったか否か、すなわち、この初期収束判定サブルーチンの開始から、所定時間の10秒が経過したか否かを判断する。未だ、10秒が経過していない場合には、ステップS26でNoとなって、ステップS27に進む。
ステップS3では、収束フラグが1であるか否か、すなわち、放電電流Idが許容範囲IR内に収束しているか否かを判断する。収束フラグが1で、放電電流Idが許容範囲IR内に収束している場合(Yes)、すなわち、イオン源11の作動の開始当初から、微粒子Sの量の検知を開始できる場合には、ステップS8に進み、信号電流Isを用いた微粒子Sの量の検知を開始させる。
一方、ステップS3で、収束フラグが0の場合(No)、すなわち、放電電流Idが許容範囲IR内に収束していない場合には、ステップS4に進む。
続くステップS5では、図8に示す収束判定サブルーチンを実行して、放電電流Idが、許容範囲IR内に収束したか否かを判断する。
図8に示すステップS51では、この収束判定サブルーチンの判定を3分間で打ち切るためのタイムアップカウンタの値を0にする。続くステップS52では、放電電流Idが、許容範囲IR内に収束したか否かの判定に用いる収束カウンタの値を0にする。
さらに、続くステップS53では、10msecを計時するタイマを用いて、10msecが経過したか否かを判断し、10msecが経過していない場合(No)は、このステップS53を繰り返す。そして、10msecが経過すると、ステップS53でYesとなって、ステップS54に進む。これにより、10msec毎に、ステップS54以下の処理が実行される。
さらに、続くステップS56では、タイムアップカウンタの値が、18000以上になったか否か、すなわち、この収束判定サブルーチンの開始から、判定打ち切りのための3分間(180秒)が経過したか否かを判断する。未だ、3分間が経過していない場合には、ステップS56でNoとなって、ステップS57に進む。
ステップS6では、収束フラグが1であるか否か、すなわち、放電電流Idが許容範囲IR内に収束しているか否かを判断する。収束フラグが1で、放電電流Idが許容範囲IR内に収束している場合(Yes)には、ステップS7に進む。ステップS7では、ヒータ通電回路226にヒータ78への通電を停止させる。その後、ステップS8に進み、信号電流Isを用いた微粒子Sの量の検知を開始させる。
これにより、放電電流Idが安定した状態で微粒子Sの量の検知を開始できるので、発生するイオンCPの量が安定し、微粒子Sの量を精度良く検知することができる。
これにより、イオン源11の周囲に付着した凝縮水等の水滴や煤等の異物を除去して、イオン源11の絶縁性を回復させることができ、放電電流Idを早期に許容範囲IR内に収束させて、微粒子Sの量の検知を開始できるまでの時間を短縮することができる。
したがって、このシステム1では、イオン源11の作動の開始当初に、放電電流Idが許容範囲IR内に収束して、微粒子Sの量の検知を開始できるときは、ヒータ78に通電しないので、ヒータ78への通電による消費電力を低減することができる。
さらに、ステップS2〜S7を実行しているマイクロプロセッサ202が、ヒータ通電制御手段に相当し、このうち、ステップS2〜S4を実行しているマイクロプロセッサ202が、ヒータ通電開始手段に相当する。
また、ステップS2〜S3及びステップS5〜S6を実行しているマイクロプロセッサ202が、電流収束判断手段に相当し、ステップS8を実行しているマイクロプロセッサ202が、検知開始手段に相当する。
例えば、実施形態では、補助電極体50の延出部51の周囲を被覆する補助電極絶縁パイプ77の表面上にヒータ78を一体に形成したヒータ付き補助電極絶縁パイプ79を設けて、このヒータ付き補助電極絶縁パイプ79のヒータ78で、イオン源11及び補助電極体50の補助電極部53を加熱した。しかし、ヒータの形態はこれに限られず、イオン源11のみを加熱するヒータを設けても良い。また、イオン源11及び補助電極体50の補助電極部53をそれぞれ別々に加熱する2つのヒータを設けても良い。
また、ヒータによるイオン源11等の加熱を行わずに、放電電流Idが許容範囲IR内に収束するのを待っても良い。さらに、イオン源11の作動の開始直後にヒータ78による通電を開始させた上で、最初の初期収束判定(ステップS2)を実行するようにしても良い。
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
Id 放電電流(気中放電電流)
Is 信号電流
1 微粒子検知システム
10 検知部
11 イオン源
12 微粒子帯電部
20 針状電極体
22 (針状電極体の)針状先端部(イオン源)
31 ノズル部(イオン源)
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)
78 ヒータ
202 マイクロプロセッサ(制御部)
201 回路部
210 イオン源電源回路(駆動回路,イオン源駆動回路)
220 計測制御回路
226 ヒータ通電回路
230 信号電流検知回路(制御部,検知回路)
240 補助電極電源回路(駆動回路,補助電極駆動回路)
It 目標電流
IR 許容範囲
S2〜S4 ヒータ通電開始手段
S2〜S7 ヒータ通電制御手段
S2〜S3,S5〜S6 電流収束判断手段
S8 検知開始手段
Claims (4)
- 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る検知部と、
上記検知部を駆動する駆動回路と、
上記駆動回路を制御し、上記微粒子の量を検知する制御部と、を備え、
上記検知部は、
気中放電でイオンを生成するイオン源と、
上記被測定ガスの一部を上記イオンと混合して、上記被測定ガス中の上記微粒子を上記イオンが付着した帯電微粒子とする微粒子帯電部と、を有し、
上記駆動回路は、
上記イオン源に供給する気中放電電流が、所定の目標電流となるように定電流制御するイオン源駆動回路を有し、
上記制御部は、
上記帯電微粒子の量に応じた信号を検知する検知回路と、
上記イオン源駆動回路による上記イオン源の作動を開始した後、上記イオン源駆動回路が流す上記気中放電電流が、上記目標電流を含む予め定めた許容範囲内に収束したか否かを判断する電流収束判断手段と、
上記気中放電電流が上記許容範囲内に収束した後に、上記信号を用いた上記微粒子の量の検知を開始させる検知開始手段と、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、
前記検知部は、
前記イオン源を加熱するヒータを有し、
前記駆動回路は、
上記ヒータに通電するヒータ通電回路を有し、
前記制御部は、
前記気中放電電流が前記許容範囲内に収束するまで、前記ヒータ通電回路に前記ヒータへの通電を行わせるヒータ通電制御手段を有する
微粒子検知システム。 - 請求項2に記載の微粒子検知システムであって、
前記ヒータ通電制御手段は、
前記イオン源の作動を開始した後の所定期間内に、前記気中放電電流が前記許容範囲内に収束しない場合に、前記ヒータ通電回路に前記ヒータへの通電を開始させるヒータ通電開始手段を含む
微粒子検知システム。 - 請求項2または請求項3に記載の微粒子検知システムであって、
前記検知部は、
前記イオンのうち前記被測定ガスとの混合で前記微粒子に付着しなかった浮遊イオンを捕集する捕集極と、
上記捕集極による上記浮遊イオンの捕集を補助する補助電極と、を有し、
前記駆動回路は、
上記補助電極を駆動する補助電極駆動回路を有し、
前記ヒータは、
前記イオン源のほか上記補助電極を加熱する構成とされてなる
微粒子検知システム。
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