JP6426976B2 - 粒子検知システム - Google Patents
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Description
また、特許文献2,3には、検知部に二重筒状に重なる一対の電極を含み、この電極間を流通する被測定ガス中の粒子で、予め電極の表面上に粒子が付着したPM塊(PM構造体(particulate matter structures))を形成した上で、被測定ガスを流し、電極に高電圧を印加することにより、電極間を移動する帯電したPM塊を用いて、粒子を検知する粒子検知システムが開示されている。
加えて、気中放電を生じる放電電極体の放電部やその周囲に付着粒子が付着すると、気中放電の状態が変化し、生成できるイオンの量が減少するなど、変動するため、粒子の検知精度が低下したり、粒子の検知が不可能になるなどの、粒子の検知性能の低下が生じることがある。
これに対し、この粒子検知システムでは、放電電極体を覆う絶縁部材の放電部周囲表面をヒータで加熱する。これにより、放電部周囲表面や放電部への粒子の付着を抑制し、イオン源における気中放電を適切に生じさせて、粒子を適切に検知することができる。
以下、上述のディーゼルエンジンの場合を例にして、このガス接触表面への粒子の付着が抑制される効果について説明する。
従って、ガス接触表面の周囲の被測定ガスに上述のような温度勾配を生じさせると、被測定ガス中の粒子は、熱泳動現象により、温度勾配の高温側から低温側、即ち、ガス接触表面から離れる方向に向かって移動しやすい。このため、付着抑制通電手段によるヒータ部への通電で、通電しない場合に比べてガス接触表面への粒子の付着が抑制されると考えられる。
また他の態様は、被測定ガスに晒される検知部を有し、上記被測定ガス中の粒子を検知する粒子センサを備える粒子検知システムであって、上記粒子センサは、上記被測定ガスに接するガス接触表面を有する絶縁材からなり、上記被測定ガス中の上記粒子が付着することにより上記ガス接触表面の絶縁性が低下すると、上記検知部での上記粒子の検知性能の低下が生じる絶縁部材、及び、通電による発熱で、上記絶縁部材の上記ガス接触表面の少なくとも一部を加熱するヒータ部、を有し、上記粒子検知システムは、上記ヒータ部への通電で、上記ガス接触表面に付着した付着粒子が燃焼する粒子燃焼温度よりも低温であるが、通電しない場合に比べて上記ガス接触表面への上記粒子の付着が抑制される付着抑制温度に、上記ガス接触表面を昇温させる付着抑制通電手段を備え、前記粒子センサは、前記被測定ガスが流通し、接地電位とされる通気管に装着されて、前記検知部が上記通気管内を臨み、上記被測定ガスを内部に取り入れるガス取入管を有し、上記接地電位とは異なる第1電位とされ、上記検知部の一部をなす内側金具と、上記内側金具の径方向周囲を囲み、上記通気管に装着されて上記接地電位とされる筒状の外側金具と、を有し、前記絶縁部材は、上記内側金具と上記外側金具との間に介在して両者を離間しつつ電気的に絶縁する絶縁スペーサであり、前記ヒータ部は、上記絶縁スペーサの前記ガス接触表面を加熱する粒子検知システムである。
これに対し、この粒子検知システムでは、絶縁スペーサのガス接触表面を、ヒータ部で加熱する。これにより、第1電位と接地電位との間に流れる漏れ電流を抑制し、信号電流の検知精度の低下を抑制して、粒子を適切に検知することができる。
前段落の後者の粒子検知システムでは、付着抑制通電手段によるヒータ部への通電で、付着抑制温度(絶縁部材のガス接触表面に付着した付着粒子が燃焼する粒子燃焼温度よりも低温であるが、通電しない場合に比べてガス接触表面への粒子の付着が抑制される温度)に、絶縁部材のガス接触表面を昇温させる。これにより、ヒータ部に通電しない場合に比べて、ガス接触表面への粒子の付着を抑制することができる。
さらに、上述のいずれかの粒子検知システムであって、前記ヒータ部への通電で、前記粒子燃焼温度に、前記ガス接触表面を昇温させ、上記付着粒子を燃焼させて除去する燃焼除去通電手段を備える粒子検知システムとすると良い。
この粒子検知システムでは、付着抑制通電手段によるヒータ部への通電で、ガス接触表面への粒子の付着を抑制しつつ、ガス接触表面に付着粒子が付着した場合には、燃焼除去通電手段によるヒータ部への通電を行って、粒子燃焼温度(付着粒子が燃焼する温度範囲、例えば650℃〜700℃以上の温度範囲から選択した温度、例えば700℃)にガス接触表面を昇温させ、付着粒子を燃焼させて除去することができる。また、燃焼除去通電手段により付着粒子を燃焼させて除去する頻度を、付着抑制通電手段を備えていない場合に比べて低減することができる。
このシステム1は、エンジンENGを制御するエンジン制御ユニットECUとCANバスを通じて接続されている。
なお、図2及び図3に、システム1のうち粒子センサ10の構成を示し、図4に、システム1のうち回路部200の構成を示す。
粒子センサ10は、ガス取入管25を有する内側金具20、外側金具70、第1絶縁スペーサ100、第2絶縁スペーサ110、セラミック素子120、5本の電線161,163,171,173,175等から構成される。なお、図2において、粒子センサ10の長手方向GHのうち、ガス取入管25が配置された側(図中、下方)を先端側GSとし、これと反対側の電線161,163等が延出する側(図中、上方)を基端側GKとする。
なお、粒子センサ10のうち、内側金具20のガス取入管25及びセラミック素子120の先端側部分は、排気ガスEGに晒される検知部11をなす。
内筒40の内部には、先端側GSから基端側GKに向けて順に、絶縁ホルダ43と、第1セパレータ44と、第2セパレータ45とが配置されている。このうち絶縁ホルダ43は、円筒状で絶縁体からなり、セラミックスリーブ37に基端側GKから当接している。この絶縁ホルダ43には、セラミック素子120が挿通されている。
また、第1セパレータ44は、絶縁体からなり、挿通孔44cを有する。この挿通孔44c内には、セラミック素子120が挿通されると共に、放電電位端子46の先端側部分が収容されている。そして、この挿通孔44c内において、セラミック素子120の後述する放電電位パッド135(図6及び図7参照)に、放電電位端子46が接触している。
また、スペーサ中間部102は、先端側GSを向く外側段面102sと、基端側GKを向く内側段面102kとを有する。これら外側段面102s及び内側段面102kは、いずれも第1絶縁スペーサ100の周方向に延びる円環状をなす。外側段面102sは、取付金具80の段状部83に、基端側GKから全周にわたり当接している。一方、内側段面102kには、主体金具30のフランジ部31が基端側GKから当接している。
なお、セラミック基体121の先端側部分の表面は、ガス取入管25(内側プロテクタ60及び外側プロテクタ65)内に取り入れた排気ガスEGに接するガス接触表面121sとなっている(図8参照)。
また、放電電位パッド135は、セラミック基体121のうち、セラミック層122よりも基端側GKで露出している。この放電電位パッド135には、前述したように、第1セパレータ44の挿通孔44c内で放電電位端子46が接触する。
このうち電線161は、芯線(中心導体)として放電電位リード線162を有し、この放電電位リード線162は、前述のように、第2セパレータ45の第1挿通孔45c内で放電電位端子46に接続している。また、電線163は、芯線(中心導体)として補助電位リード線164を有し、この補助電位リード線164は、第2セパレータ45の第2挿通孔45d内で補助電位端子47に接続している。また、これらの電線161,163の同軸二重の外部導体のうち、内側の内側外部導体161g1,163g1は、内側金具20の内筒接続金具50に接続しており、第1電位PV1とされる。一方、外側の外側外部導体161g2,163g2は、外側金具70に導通する外筒接続金具95に接続しており、接地電位PVEとされる。
補助電極電源回路240は、第1電位PV1とされる補助第1出力端241と、補助電極電位PV3とされる補助第2出力端242とを有する。この補助電極電位PV3は、第1電位PV1に対して、正の直流高電位であるが、第2電位PV2のピーク電位よりも低い電位とされる。
なお、本実施形態では、エンジンENGはディーゼルエンジンであり、排気ガスEGの温度は、250℃〜300℃程度である。また、煤などの付着粒子SAが燃焼する粒子燃焼温度Tbは、650℃〜700℃以上の温度である。これに対し、本実施形態では、付着抑制温度Tdを排気ガスEGの温度よりも50℃〜100℃高い350℃(素子用ヒータ150及びスペーサ用ヒータ105の発熱特性のばらつきや排気ガスEGの温度の変動を考慮すると、実際の温度は300℃〜400℃)とし、放電部周囲表面121ss及びガス接触部101sをこの付着抑制温度Tdに昇温させる。
排気ガスEGにこのような温度勾配を生じさせると、排気ガスEG中の粒子Sは、熱泳動現象により、温度勾配の高温側から低温側、即ち、放電部周囲表面121ss及びガス接触部101sから離れる方向(図10及び図11の矢印の向き)に向かって移動しやすい。このように、素子用ヒータ150及びスペーサ用ヒータ105への通電で、放電部周囲表面121ss及びガス接触部101sを付着抑制温度Tdに昇温させることにより、通電しない場合に比べて、放電部周囲表面121ss及びガス接触部101sへの粒子Sの付着が抑制される。なお、セラミック基体121及び第1絶縁スペーサ100は、いずれもアルミナ製であるが、付着粒子SAが燃焼する粒子燃焼温度Tbを高く設定し過ぎると、これらの絶縁抵抗の低下によって、粒子Sの検知性能が低下することがある。そこで、本実施形態では、粒子燃焼温度Tbを、粒子Sの検知性能にセラミック基体121及び第1絶縁スペーサ100の絶縁抵抗の低下が実質的に影響しない温度に設定している。
エンジンENGのキースイッチ(図示しない)がONにされると、本システム1(計測制御回路220のマイクロプロセッサ221)が起動され、まず、ステップS1で、粒子検知及びヒータ通電に必要な初期設定がなされる。その後、ステップS2において、ECUからの粒子検知開始の指示信号ST(図4参照)の有無を検知する。
ステップS3では、イオン源電源回路210から放電電極体130の針状電極部131(イオン源15)に第2電位PV2を印加し、補助電極電源回路240から補助電極体140の補助電極部141に補助電極電位PV3を印加するなど、検知部11の駆動を開始する。
さらに、続くステップS4では、素子用ヒータ150及びスペーサ用ヒータ105に対して、粒子Sの付着抑制用のヒータ通電を開始する。このヒータ通電では、付着粒子SAが燃焼する粒子燃焼温度Tbよりも低温であるが、ヒータ通電をしない場合に比べて、ガス接触表面への粒子Sの付着が抑制される付着抑制温度Td(本実施形態では350℃)に、セラミック基体121の放電部周囲表面121ss及び第1絶縁スペーサ100のガス接触部101sを昇温させる。
次いで、ステップS8では、素子用ヒータ150及びスペーサ用ヒータ105に対して、付着粒子SAの除去用のヒータ通電を実行する。このヒータ通電では、所定時間にわたり、素子用ヒータ150及びスペーサ用ヒータ105に通電して、付着粒子SAが燃焼する粒子燃焼温度Tb(本実施形態では700℃)に、セラミック基体121の放電部周囲表面121ss及び第1絶縁スペーサ100のガス接触部101sを昇温させる。これにより、セラミック基体121の放電部周囲表面121ss及び第1絶縁スペーサ100のガス接触部101sに付着した付着粒子SAを燃焼させて除去する。
また、計測制御回路220の第2ヒータ通電回路225及び第1ヒータ通電回路223並びにステップS4及びステップS10を実行しているマイクロプロセッサ221が、付着抑制通電手段に相当する。
さらに、計測制御回路220の第2ヒータ通電回路225及び第1ヒータ通電回路223並びにステップS8を実行しているマイクロプロセッサ221が、燃焼除去通電手段に相当する。
これにより、排気ガスEG中の粒子Sは、熱泳動現象により、セラミック基体121の放電部周囲表面121ss及び第1絶縁スペーサ100のガス接触部101sから離れる方向に向かって移動しやすくなり、通電しない場合に比べて、これら放電部周囲表面121ss及びガス接触部101sへの粒子Sの付着が抑制される。
これにより、第1電位PV1と接地電位PVEとの間に流れる漏れ電流を抑制し、信号電流Isの検知精度の低下を抑制して、粒子Sを適切に検知することができる。
例えば、実施形態では、排気ガスEG(被測定ガス)に晒される検知部11が、気中放電によりイオンCPを生成するイオン源15を含む帯電部12を有する粒子検知システムに適用した例を示した。しかし、粒子センサの検知部はこれに限られない。例えば、電極の表面上に粒子を付着させて、電極に高電圧を印加することにより、粒子Sを帯電した帯電粒子SCとする帯電部を検知部に有する粒子センサを備える粒子検知システムに適用しても良い(特許文献2,3参照)。この場合、ヒータ部としては、例えば、粒子が付着する帯電部の電極間を絶縁する絶縁部材を加熱するものが挙げられる。
10 粒子センサ
11 検知部
12 帯電部
15 イオン源
20 内側金具
25 ガス取入管
30 主体金具
40 内筒
50 内筒接続金具
60 内側プロテクタ
60e ガス排出口
65 外側プロテクタ
65c ガス取入口
70 外側金具
80 取付金具
90 外筒
100 第1絶縁スペーサ(絶縁部材,絶縁スペーサ)
101 スペーサ先端側部
101s ガス接触部(ガス接触表面)
105 スペーサ用ヒータ(ヒータ部)
120 セラミック素子
121 セラミック基体(絶縁部材)
121s ガス接触表面
121ss 放電部周囲表面
130 放電電極体
140 補助電極体
150 素子用ヒータ(ヒータ部)
200 回路部
210 イオン源電源回路
220 計測制御回路
221 マイクロプロセッサ
223 第1ヒータ通電回路(付着抑制通電手段,燃焼除去通電手段)
225 第2ヒータ通電回路(付着抑制通電手段,燃焼除去通電手段)
230 信号電流検知回路
240 補助電極電源回路
AM 車両
ENG エンジン
EP 排気管(通気管)
EG 排気ガス
EGI 取入ガス
S 粒子
ECU エンジン制御ユニット
PVE 接地電位
PV1 第1電位
SA 付着粒子
Tb 粒子燃焼温度
Td 付着抑制温度
S4,S10 付着抑制通電手段
S8 燃焼除去通電手段
Claims (4)
- 被測定ガスに晒される検知部を有し、上記被測定ガス中の粒子を検知する粒子センサを備える
粒子検知システムであって、
上記粒子センサは、
上記被測定ガスに接するガス接触表面を有する絶縁材からなり、上記被測定ガス中の上記粒子が付着することにより上記ガス接触表面の絶縁性が低下すると、上記検知部での上記粒子の検知性能の低下が生じる絶縁部材、及び、
通電による発熱で、上記絶縁部材の上記ガス接触表面の少なくとも一部を加熱するヒータ部、を有し、
上記粒子検知システムは、
上記ヒータ部への通電で、上記ガス接触表面に付着した付着粒子が燃焼する粒子燃焼温度よりも低温であるが、通電しない場合に比べて上記ガス接触表面への上記粒子の付着が抑制される付着抑制温度に、上記ガス接触表面を昇温させる付着抑制通電手段を備え、
前記検知部は、
気中放電によりイオンを生成するイオン源を含み、生成した上記イオンを前記被測定ガス中を浮遊する前記粒子に付着させ帯電させて帯電粒子とする帯電部を有し、
上記イオン源は、
上記気中放電を生じる放電部を含む放電電極体を有し、
前記絶縁部材は、
上記放電部を露出させつつ上記放電電極体を覆い、前記ガス接触表面であり上記放電部の周囲に位置する放電部周囲表面を有し、
前記ヒータ部は、
上記絶縁部材の上記放電部周囲表面を加熱する
粒子検知システム。 - 請求項1に記載の粒子検知システムであって、
前記粒子センサは、
前記被測定ガスが流通し、接地電位とされる通気管に装着されて、前記検知部が上記通気管内を臨み、
上記被測定ガスを内部に取り入れるガス取入管を有し、上記接地電位とは異なる第1電位とされ、上記検知部の一部をなす内側金具と、
上記内側金具の径方向周囲を囲み、上記通気管に装着されて上記接地電位とされる筒状の外側金具と、を有し、
前記絶縁部材は、
上記内側金具と上記外側金具との間に介在して両者を離間しつつ電気的に絶縁する絶縁スペーサであり、
前記ヒータ部は、
上記絶縁スペーサの前記ガス接触表面を加熱する
粒子検知システム。 - 被測定ガスに晒される検知部を有し、上記被測定ガス中の粒子を検知する粒子センサを備える
粒子検知システムであって、
上記粒子センサは、
上記被測定ガスに接するガス接触表面を有する絶縁材からなり、上記被測定ガス中の上記粒子が付着することにより上記ガス接触表面の絶縁性が低下すると、上記検知部での上記粒子の検知性能の低下が生じる絶縁部材、及び、
通電による発熱で、上記絶縁部材の上記ガス接触表面の少なくとも一部を加熱するヒータ部、を有し、
上記粒子検知システムは、
上記ヒータ部への通電で、上記ガス接触表面に付着した付着粒子が燃焼する粒子燃焼温度よりも低温であるが、通電しない場合に比べて上記ガス接触表面への上記粒子の付着が抑制される付着抑制温度に、上記ガス接触表面を昇温させる付着抑制通電手段を備え、
前記粒子センサは、
前記被測定ガスが流通し、接地電位とされる通気管に装着されて、前記検知部が上記通気管内を臨み、
上記被測定ガスを内部に取り入れるガス取入管を有し、上記接地電位とは異なる第1電位とされ、上記検知部の一部をなす内側金具と、
上記内側金具の径方向周囲を囲み、上記通気管に装着されて上記接地電位とされる筒状の外側金具と、を有し、
前記絶縁部材は、
上記内側金具と上記外側金具との間に介在して両者を離間しつつ電気的に絶縁する絶縁スペーサであり、
前記ヒータ部は、
上記絶縁スペーサの前記ガス接触表面を加熱する
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粒子検知システムであって、
前記ヒータ部への通電で、前記粒子燃焼温度に前記ガス接触表面を昇温させ、上記付着粒子を燃焼させて除去する燃焼除去通電手段を備える
粒子検知システム。
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