WO2016024591A1 - センサ - Google Patents

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exhaust gas
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正 内山
直人 村澤
哲史 塙
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いすゞ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor, and more particularly to a PM sensor that detects particulate matter (hereinafter referred to as PM) contained in exhaust gas.
  • PM particulate matter
  • an electrical resistance type PM sensor is known as a sensor for detecting PM in exhaust gas discharged from an internal combustion engine.
  • an electrical resistance type PM sensor has a pair of conductive electrodes opposed to each other on the surface of an insulating substrate, and the electrical resistance value varies depending on the conductive PM (mainly soot component) adhering to these electrodes. This is used to estimate the PM amount (see, for example, Patent Document 1).
  • the electric resistance type PM sensor since the electric resistance type PM sensor has a simple structure in which PM is adhered to each electrode, there is a possibility that a part of the PM adhering to the electrode may be detached particularly in an operation state in which the exhaust flow rate increases. There is a problem that cannot be guaranteed. Further, since the electrical resistance value between the electrodes does not change until the electrodes are connected to each other due to the deposition of PM, there is a problem that the amount of PM cannot be accurately estimated during the period until the electrodes are connected by PM. Furthermore, since the electrical resistance value between the electrodes does not change during the regeneration period in which PM accumulated between the electrodes is burned and removed by the electric heater, there is a problem that the amount of PM cannot be estimated during the regeneration period.
  • the electric resistance type PM sensor cannot continuously estimate the amount of PM discharged from the engine, and its use is failed downstream of the diesel particulate filter (hereinafter referred to as DPF).
  • DPF diesel particulate filter
  • the present invention has been made in view of such points, and an object thereof is to provide a sensor capable of continuously estimating the amount of PM contained in exhaust gas.
  • the disclosed sensor includes a porous filter member including a plurality of cells that collect particulate matter in exhaust gas, at least a pair of electrode members that are disposed to face each other with the cells interposed therebetween, and When particulate matter is deposited in the cell to a predetermined amount, regeneration means for performing filter regeneration for heating and removing the deposited particulate matter by combustion, and exhaust gas containing particulate matter flows into the filter member.
  • Storage means for storing, as a reference reduction amount, a decrease in capacitance between the pair of electrode members when filter regeneration is performed by the regeneration means in a state in which there is not, and start of next filter regeneration after completion of filter regeneration by the regeneration means
  • the amount of particulate matter contained in the exhaust gas is estimated based on the actual change in capacitance between the pair of electrode members during the regeneration interval period until Both of the estimation means for estimating the amount of particulate matter contained in the exhaust gas based on the difference between the actual decrease in capacitance between the pair of electrode members and the reference decrease during the filter regeneration period by the regeneration means; Is provided.
  • FIG. 5 is a timing chart illustrating filter regeneration and PM amount integration according to the first embodiment. It is a typical fragmentary sectional view showing PM sensor of a second embodiment.
  • (A) is a schematic perspective view of a PM sensor according to the third embodiment, and (B) is a schematic exploded perspective view of the PM sensor according to the third embodiment.
  • (B) is a schematic block diagram which shows an example of the exhaust system to which PM sensor of other embodiment was applied. It is a typical fragmentary sectional view showing PM sensor of other embodiments.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an exhaust system of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 100 to which the PM sensor 10A of the first embodiment is applied.
  • the exhaust pipe 110 is provided with an oxidation catalyst 210, a DPF 220, a NOx purification catalyst 230, and the like in order from the exhaust upstream side.
  • the PM sensor 10 ⁇ / b> A of the present embodiment may be provided, for example, in either the exhaust pipe 110 upstream of the DPF 220 or the exhaust pipe 110 downstream of the DPF 220.
  • the PM sensor 10 ⁇ / b> A includes a case member 11 inserted into the exhaust pipe 110, a pedestal portion 20 for attaching the case member 11 to the exhaust pipe 110, a sensor unit 30 accommodated in the case member 11, and a control unit 40. I have.
  • the case member 11 is formed in a bottomed cylindrical shape with the bottom side (the lower end side in the illustrated example) closed.
  • the length L in the cylinder axis direction of the case member 11 is formed to be substantially the same as the radius R of the exhaust pipe 110 so that the bottom cylindrical wall portion protrudes to the vicinity of the axial center CL of the exhaust pipe 110. ing.
  • the bottom side of the case member 11 is the front end side, and the side opposite to the bottom side is the base end side of the case member 11.
  • a plurality of inlets 12 arranged at intervals in the circumferential direction are provided in the cylindrical wall portion on the distal end side of the case member 11.
  • a plurality of outlets 13 arranged at intervals in the circumferential direction are provided in the base end side cylindrical wall portion of the case member 11.
  • the total opening area S 12 of the inlet 12 is smaller than the total opening area S 13 of the outlet 13 (S 12 ⁇ S 13) . That is, in the exhaust flow velocity V 12 of the inlet 12 near slower than the exhaust flow velocity V 13 near guide outlet 13 (V 12 ⁇ V 13), the pressure P 12 in the inlet 12 side pressure outlet 13 side It is higher than the P 13 (P 12> P 13 ). As a result, exhaust gas is smoothly taken into the case member 11 from the inlet 12, and at the same time, exhaust gas in the case member 11 is smoothly led out into the exhaust pipe 110 from the outlet 13.
  • the pedestal portion 20 includes a male screw portion 21 and a nut portion 22.
  • the male screw portion 21 is provided at the base end portion of the case member 11 and closes the base end side opening of the case member 11.
  • the male screw portion 21 is screwed with a female screw portion of a boss portion 110 ⁇ / b> A formed in the exhaust pipe 110.
  • the nut portion 22 is, for example, a hexagonal nut, and is fixed to the upper end portion of the male screw portion 21.
  • the male screw portion 21 and the nut portion 22 are formed with through holes (not shown) through which conductive wires 32A, 33A described later are inserted.
  • the sensor unit 30 includes a filter member 31, a plurality of pairs of electrodes 32 and 33, and an electric heater 34.
  • the filter member 31 is formed, for example, by alternately plugging the upstream side and the downstream side of a plurality of cells forming a grid-like exhaust flow path partitioned by porous ceramic partition walls.
  • the filter member 31 is held on the inner peripheral surface of the case member 11 via a cushion member 31A in a state in which the flow path direction of the cell is substantially parallel to the axial direction of the case member 11 (vertical direction in the drawing). .
  • the PM in the exhaust gas taken into the case member 11 from the introduction port 12 flows from the cell plugged on the downstream side into the cell plugged on the upstream side, so that the surface of the partition wall It is collected in the hole.
  • a cell whose downstream side is plugged is referred to as a measurement cell
  • a cell whose upstream side is plugged is referred to as an electrode cell.
  • the electrodes 32 and 33 are, for example, conductive metal wires, and are alternately inserted from the downstream side (non-plugged side) into electrode cells facing each other across the measurement cell to form a capacitor. These electrodes 32 and 33 are connected to a capacitance detection circuit (not shown) built in the control unit 40 via conductive lines 32A and 33A, respectively.
  • the electric heater 34 is an example of the regenerating means of the present invention, and is formed of, for example, a heating wire.
  • the electric heater 34 generates heat by energization and heats the measurement cell, thereby performing so-called filter regeneration for burning and removing PM accumulated in the measurement cell.
  • the electric heater 34 is preferably formed by being bent into a continuous S-shape, and straight portions parallel to each other are inserted into each measurement cell along the flow path.
  • the control unit 40 performs various controls, and includes a known CPU, ROM, RAM, input port, output port, and the like.
  • the control unit 40 includes a filter regeneration control unit 41, a first PM amount estimation unit 42, a second PM amount estimation unit 43, and a total PM amount calculation unit 44 as functional elements. These functional elements are described as being included in the control unit 40 that is an integral piece of hardware, but may be provided in separate hardware.
  • the filter regeneration control unit 41 is an example of a regeneration unit of the present invention, and turns on the electric heater 34 in accordance with the capacitance Cp between the electrodes 32 and 33 detected by a capacitance detection circuit (not shown).
  • the filter regeneration control to be (energized) is executed.
  • the capacitance Cp between the electrodes 32 and 33 is expressed by the following mathematical formula (1), where the dielectric constant ⁇ of the medium between the electrodes 32 and 33, the surface area S of the electrodes 32 and 33, and the distance d between the electrodes 32 and 33 are expressed. Is done.
  • the surface areas S of the electrodes 32 and 33 are constant, and when the dielectric constant ⁇ and the distance d change due to PM collected in the measurement cell, the capacitance Cp also changes accordingly. That is, a proportional relationship is established between the capacitance Cp between the electrodes 32 and 33 and the amount of PM deposited on the filter member 31.
  • the filter regeneration control unit 41 turns on the electric heater 34 when the capacitance Cp of the electrodes 32 and 33 reaches a predetermined capacitance upper limit threshold C P_max indicating the PM upper limit deposition amount. Start filter playback. This filter regeneration is continued until the capacitance Cp falls to a predetermined capacitance lower limit threshold C P_min that indicates complete removal of PM.
  • the first PM amount estimation unit 42 is an example of the estimation means of the present invention, and the amount of PM collected by the filter member 31 during each regeneration interval period from the end of filter regeneration to the start of the next filter regeneration (hereinafter, interval period). estimation computed based on referred to as PM amount m PM_Int_n) the capacitance change amount [Delta] Cp n between the electrodes 32 and 33 (see FIG. 3).
  • the first 1PM amount estimation unit 42 multiplies a first coefficient ⁇ to the variation amount of capacitance [Delta] Cp n between the electrodes 32 and 33 which are detected by the electrostatic capacitance detection circuit (not shown) to the regeneration interval duration Based on the following formula (2), the interval period PM amount m PM_Int_n is sequentially calculated.
  • the interval period PM amount m PM_Int_n calculated by the first PM amount estimating unit 42 is sequentially output to a total PM amount calculating unit 44 described later.
  • the second PM amount estimation unit 43 is a part of the estimation means of the present invention, and the electrode 32 captures the PM amount collected by the filter member 31 during the filter regeneration execution period (hereinafter referred to as regeneration period PM amount m PM_Reg_n ). , 33 (see FIG. 3).
  • regeneration period PM amount m PM_Reg_n the PM amount collected by the filter member 31 during the filter regeneration execution period
  • 33 the filter regeneration execution period
  • the capacity decrease amount is stored as the reference decrease amount Cp_ref .
  • the regeneration period PM amount m PM_Reg_n (new PM amount) collected by the filter member 31 when exhaust gas flows into the filter member 31 during the filter regeneration is determined between the electrodes 32 and 33 detected during the filter regeneration. It is expressed by the following equation for multiplying the first coefficient ⁇ to the deviation of the capacitance actual reduction Cp _Act and the reference reduction Cp _ref of (3).
  • the second PM amount estimating unit 43 calculates the regeneration period PM amount m PM_Reg_n in real time based on the mathematical formula (3).
  • the regeneration period PM amount m PM_Reg_n calculated by the second PM amount estimating unit 43 is sequentially output to the total PM amount calculating unit 44 described later.
  • the total PM amount calculation unit 44 is an example of the estimation means of the present invention, and the interval period PM amount m PM_Int_n input from the first PM amount estimation unit 42 and the regeneration period PM input from the second PM amount estimation unit 43.
  • the total PM amount m PM_sum in the exhaust gas exhausted from the engine 100 is calculated in real time based on the following formula (4) in which the amount m PM_Reg_n is alternately and sequentially accumulated.
  • filter regeneration duration Reg _n also sensitive to calculate the playback time PM amount m PM_Reg_n based on the electrostatic capacitance reduction between good electrodes 32 and 33, by sequentially integrating them, exhaust gas discharged from the engine 100 It becomes possible to estimate the amount of PM in real time and with high accuracy.
  • the electrical resistance value does not change during the electrode regeneration period and the period until each electrode is connected to each other by PM. There is a problem that the amount of PM inside cannot be estimated in real time.
  • the PM sensor 10A of the present embodiment estimates the PM amount based on the amount of change in capacitance between the electrodes 32 and 33 having good sensitivity during the regeneration interval period, and the electrode having good sensitivity also during the filter regeneration period.
  • the PM amount is estimated based on the capacitance reduction amount between 32 and 33, and the PM amount in the exhaust gas is calculated by sequentially integrating these estimated PM amounts. Therefore, according to the PM sensor 10A of the present embodiment, the PM amount in the exhaust gas discharged from the engine 100 can be estimated with high accuracy and in real time.
  • the PM sensor 10 ⁇ / b> A of the present embodiment is configured to reliably collect PM in the exhaust gas by the filter member 31. Therefore, according to the PM sensor 10A of the present embodiment, it is possible to effectively ensure the estimation accuracy of the PM amount even in an operation state in which the exhaust gas flow rate increases.
  • the case member 11 that houses the sensor unit 30 has its tip projecting in the exhaust pipe 110 to the vicinity of the axis center CL where the exhaust flow velocity is the fastest.
  • An inlet 12 that takes in exhaust gas into the case member 11 is provided in the cylindrical wall portion on the distal end side of the case member 11.
  • a outlet port 13 having an opening area larger than that of the inlet 12 is provided in the base end side cylindrical wall portion of the case member 11. That is, according to the PM sensor 10A of the present embodiment, the introduction port 12 is disposed in the vicinity of the axial center CL of the exhaust pipe 110 having a high exhaust flow rate, and the opening area of the outlet port 13 is increased, so that the introduction port 12 and the introduction port 12 are guided. A large static pressure difference from the outlet 13 can be secured, and the flow of exhaust gas passing through the sensor unit 30 can be effectively promoted.
  • the PM sensor 10B of the second embodiment is a PM sensor 10A of the first embodiment in which the case member 11 has a double tube structure. Since other components have the same structure, detailed description thereof is omitted. Further, the conductive lines 32A and 33A and the control unit 40 are not shown.
  • the case member 11 of the second embodiment includes a bottomed cylindrical inner case portion 11A and a cylindrical outer case portion 11B surrounding the cylindrical outer peripheral surface of the inner case portion 11A.
  • the inner case portion 11A is formed to have a longer axial length than the outer case portion 11B so that the tip side protrudes from the outer case portion 11B.
  • a lead-out port 13 for leading the exhaust gas in the inner case portion 11A into the exhaust pipe 110 is provided at the bottom of the inner case portion 11A.
  • a plurality of passage openings 14 are provided in the cylindrical wall portion on the proximal end side of the inner case portion 11A and arranged at intervals in the circumferential direction. The passage port 14 allows the exhaust gas in the flow path 15 defined by the outer peripheral surface of the inner case portion 11A and the inner peripheral surface of the outer case portion 11B to pass through the inner case portion 11A.
  • annular introduction port 12 is formed that is partitioned by the distal end side cylindrical wall portion of the inner case portion 11 ⁇ / b> A and the distal end portion of the outer case portion 11 ⁇ / b> B.
  • the opening area S 12 of the inlet 12 is formed smaller than the opening area S 13 of the outlet 13 (S 12 ⁇ S 13 ).
  • the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 110 hits the cylindrical wall surface of the inner case portion 11A protruding from the outer case portion 11B, and smoothly enters the flow path 15 from the inlet 12 disposed in the vicinity of the axial center CL of the exhaust pipe 110. Is taken in. Further, the exhaust gas flowing in the flow path 15 is taken into the inner case portion 11A from the passage port 14, passes through the filter member 31, and then is exhausted from the outlet port 13 disposed in the vicinity of the axial center CL of the exhaust pipe 110. 110 is smoothly led out. As described above, in the PM sensor 10B of the second embodiment, the inlet 12 and the outlet 13 are disposed in the vicinity of the axial center CL where the exhaust flow velocity is the fastest in the exhaust pipe 110, thereby passing through the filter member 31. It is possible to effectively increase the exhaust flow rate.
  • the PM sensor of the third embodiment is a stacked type of the sensor unit 30 of the first embodiment. Since other components have the same structure, detailed description and illustration are omitted.
  • FIG. 5A is a perspective view of the sensor unit 60 according to the third embodiment
  • FIG. 5B is an exploded perspective view of the sensor unit 60.
  • the sensor unit 60 includes a plurality of filter layers 61 and a plurality of first and second electrode plates 62 and 63.
  • the filter layer 61 is, for example, plugged alternately upstream and downstream of a plurality of cells that are partitioned by partition walls such as porous ceramics to form an exhaust passage, and these cells are arranged in parallel in one direction. It is formed in a rectangular parallelepiped shape.
  • the PM contained in the exhaust gas flows into the cell C2 whose upstream side is plugged from the cell C1 whose downstream side is plugged, as indicated by a broken line arrow in FIG. 5B. Thus, it is collected on the partition wall surface and pores of the cell C1.
  • the cell flow path direction is the length direction of the sensor section 60 (arrow L in FIG. 5A), and the direction orthogonal to the cell flow path direction is the width direction of the sensor section 60 (FIG. 5). (A) Arrow W).
  • the first and second electrode plates 62 and 63 are, for example, plate-like conductive members, and are formed so that the outer dimensions in the length direction L and the width direction W are substantially the same as those of the filter layer 61.
  • the first and second electrode plates 62 and 63 are alternately stacked with the filter layer 61 interposed therebetween, and are respectively connected to a capacitance detection circuit (not shown) built in the control unit 40 via the conductive lines 62A and 63A. It is connected.
  • the first electrode plate 62 and the second electrode plate 63 are disposed to face each other, and the filter layer 61 is sandwiched between the electrode plates 62 and 63, so that the entire cell C1 forms a capacitor. .
  • the electrode surface area S can be effectively secured, and a detectable static It becomes possible to increase the absolute value of the capacitance. Further, since the inter-electrode distance d becomes the cell pitch and is made uniform, variations in the initial capacitance can be effectively suppressed.
  • a bypass pipe 190 that branches from between the oxidation catalyst 210 and the DPF 220 and joins upstream of the NOx purification catalyst 230 is connected to the exhaust pipe 110, and the sensor unit of the first embodiment. 30 or the sensor unit 60 of the third embodiment may be arranged in the bypass pipe 190.
  • the positions of the inlet 12 and the outlet 13 are interchanged, and the flow of the exhaust gas introduced into the case member 11 is changed.
  • the direction may be reversed.
  • the filter member 31 may be stored in the case member 11 by being inverted.

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Abstract

　センサに関し、排気ガス中に含まれるＰＭ量を連続的に推定する。　排気ガス中のＰＭを捕集する複数のセルを含むフィルタ部材３１と、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する電極部材３２，３３と、セルにＰＭが所定量まで堆積するとセルを加熱してＰＭを燃焼除去するフィルタ再生を実行する電気ヒータ３４と、フィルタ部材３１にＰＭが流れ込まない状態でフィルタ再生を実行した場合の電極部材３２，３３間における静電容量減少量を参照減少量として記憶した記憶部４０と、再生インターバル期間は電極部材３２，３３間の静電容量実変化量に基づいてＰＭ量を推定すると共に、フィルタ再生期間は電極部材３２，３３間の静電容量実減少量と参照減少量との差に基づいてＰＭ量を推定する推定部４２，４３，４４とを備えた。

Description

センサ
　本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサに関する。
　従来、内燃機関から排出される排気ガス中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。一般的に、電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２－８３２１０号公報
　ところで、電気抵抗型ＰＭセンサは、各電極にＰＭを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したＰＭの一部が離脱する可能性があり、推定精度を担保できない課題がある。また、電極間の電気抵抗値はＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、電極がＰＭで繋がるまでの期間はＰＭ量を正確に推定できない課題がある。さらに、電極間に堆積したＰＭを電気ヒータで燃焼除去する再生期間も電極間の電気抵抗値が変化を示さないため、当該再生期間もＰＭ量を推定できない課題がある。
　このため、電気抵抗型ＰＭセンサでは、エンジンから排出されるＰＭ量を連続的に推定することはできず、その用途はディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）よりも下流側で故障をオンボードで診断するものに限定される。
　本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、排気ガス中に含まれるＰＭ量を連続的に推定することができるセンサを提供することにある。
　開示のセンサは、排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを含む多孔質性のフィルタ部材と、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材と、前記セルに粒子状物質が所定量まで堆積すると、前記セルを加熱して当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生手段と、前記フィルタ部材に粒子状物質を含む排気ガスが流れ込まない状態で前記再生手段によるフィルタ再生を実行した場合の前記一対の電極部材間における静電容量減少量を参照減少量として記憶した記憶手段と、前記再生手段によるフィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間は前記一対の電極部材間の静電容量実変化量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定すると共に、前記再生手段によるフィルタ再生期間は前記一対の電極部材間の静電容量実減少量と前記参照減少量との差に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定手段とを備える。
第一実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。 第一実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 第一実施形態に係るフィルタ再生及び、ＰＭ量の積算を説明するタイミングチャート図である。 第二実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 （Ａ）は、第三実施形態に係るＰＭセンサの模式的な斜視図、（Ｂ）は、第三実施形態に係るＰＭセンサの模式的な分解斜視図である。 他の実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。 他の実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
　以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るＰＭセンサを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
　［第一実施形態］
　図１は、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａが適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。排気管１１０には、排気上流側から順に、酸化触媒２１０、ＤＰＦ２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０又は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０の何れに設けてもよい。
　次に、図２に基づいて第一実施形態に係るＰＭセンサ１０Ａの詳細構成について説明する。
　ＰＭセンサ１０Ａは、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、コントロールユニット４０とを備えている。
　ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。
　ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ12は、導出口１３の総開口面積Ｓ13よりも小さく形成されている（Ｓ12＜Ｓ13）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ12が導出口１３付近の排気流速Ｖ13よりも遅くなることで（Ｖ12＜Ｖ13）、導入口１２側の圧力Ｐ12は導出口１３側の圧力Ｐ13よりも高くなる（Ｐ12＞Ｐ13）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。
　台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。
　センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。
　フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。
　電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、コントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。
　電気ヒータ３４は、本発明の再生手段の一例であって、例えば電熱線等で形成されている。この電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、好ましくは、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。
　コントロールユニット４０は、各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、第１ＰＭ量推定部４２と、第２ＰＭ量推定部４３と、総ＰＭ量演算部４４とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。
　フィルタ再生制御部４１は、本発明の再生手段の一例であって、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするフィルタ再生制御を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の表面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数式（１）において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、測定用セルに捕集されたＰＭによって誘電率ε及び距離ｄが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。フィルタ再生制御部４１は、図３に示すように、電極３２，３３の静電容量ＣｐがＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値ＣP_maxに達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするフィルタ再生を開始する。このフィルタ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値ＣP_minに低下するまで継続される。
　第１ＰＭ量推定部４２は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの各再生インターバル期間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量（以下、インターバル期間ＰＭ量ｍPM_Int_nと称する）を電極３２，３３間の静電容量変化量ΔＣｐnに基づいて推定演算する（図３参照）。より詳しくは、この第１ＰＭ量推定部４２は、再生インターバル期間に静電容量検出回路（不図示）によって検出される電極３２，３３間の静電容量変化量ΔＣｐnに一次の係数βを乗算する以下の数式（２）に基づいて、インターバル期間ＰＭ量ｍPM_Int_nを順次演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　第１ＰＭ量推定部４２によって演算されるインターバル期間ＰＭ量ｍPM_Int_nは、後述する総ＰＭ量演算部４４に順次出力される。
　第２ＰＭ量推定部４３は、本発明の推定手段の一部であって、フィルタ再生実行期間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量（以下、再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nと称する）を電極３２，３３間の静電容量減少量に基づいて推定する（図３参照）。以下、再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nの詳細な推定手法について説明する。
　コントロールユニット４０の記憶部（記憶手段）には、予め実験等によりフィルタ部材３１に排気ガス（新規のＰＭ）が流れ込まない状態でフィルタ再生を実行した際に測定した電極３２，３３間の静電容量減少量が参照減少量Ｃｐ_refとして記憶されている。フィルタ再生の実行中にフィルタ部材３１に排気ガスが流れ込むことでフィルタ部材３１に捕集される再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_n（新規のＰＭ量）は、フィルタ再生中に検出される電極３２，３３間の静電容量実減少量Ｃｐ_actと参照減少量Ｃｐ_refとの偏差に一次の係数αを乗算する以下の数式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第２ＰＭ量推定部４３は、この数式（３）に基づいて再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nをリアルタイムに演算する。第２ＰＭ量推定部４３によって演算される再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nは、後述する総ＰＭ量演算部４４に順次出力される。
　総ＰＭ量演算部４４は、本発明の推定手段の一例であって、第１ＰＭ量推定部４２から入力されるインターバル期間ＰＭ量ｍPM_Int_nと、第２ＰＭ量推定部４３から入力される再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nとを交互に順次積算する以下の数式（４）に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量ｍPM_sumをリアルタイムに演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　このように、本実施形態では、再生インターバル期間Ｉｎｔ_nは電気抵抗値よりも感度が良好な電極３２，３３間の静電容量変化量ΔＣｐnに基づいてインターバルＰＭ量ｍPM_Int_nを演算すると共に、フィルタ再生期間Ｒｅｇ_nも感度が良好な電極３２，３３間の静電容量減少量に基づいて再生期間ＰＭ量ｍPM_Reg_nを演算し、これらを順次積算することで、エンジン１００から排出される排気ガス中のＰＭ量をリアルタイム且つ高精度に推定することが可能になる。
　次に、本実施形態に係るＰＭセンサ１０Ａの作用効果を説明する。
　電極間の電気抵抗値に基づいてＰＭ量を推定する電気抵抗型ＰＭセンサでは、電極の再生期間及び、各電極がＰＭによって互いに繋がるまでの期間は電気抵抗値が変化を示さないため、排気ガス中のＰＭ量をリアルタイムに推定できない課題がある。
　これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、再生インターバル期間は感度の良好な電極３２，３３間の静電容量変化量に基づいてＰＭ量を推定し、フィルタ再生期間も感度が良好な電極３２，３３間の静電容量減少量に基づいてＰＭ量を推定し、これら推定したＰＭ量を順次積算することで、排気ガス中のＰＭ量を演算するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａによれば、エンジン１００から排出される排気ガス中のＰＭ量を高精度且つリアルタイムに推定することができる。
　また、各電極にＰＭを付着させる電気抵抗型ＰＭセンサでは、例えば、排気流量が多くなる運転状態でＰＭの一部が電極から離脱する可能性があり、ＰＭ量の推定精度を担保できない課題がある。これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａによれば、排気流量が多くなる運転状態においてもＰＭ量の推定精度を効果的に確保することができる。
　また、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａでは、センサ部３０を収容したケース部材１１は、その先端部を排気管１１０内で排気流速が最も速い軸中心ＣＬ近傍まで突出させている。このケース部材１１の先端側筒壁部には、ケース部材１１内に排気ガスを取り込む導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、導入口１２よりも開口面積を大きく形成した導出口１３が設けられている。すなわち、本実施形態のＰＭセンサ１０Ａによれば、導入口１２を排気流速が速い排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置し、導出口１３の開口面積を大きくしたことで、導入口１２と導出口１３との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部３０を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。
　［第二実施形態］
　次に、図４に基づいて、第二実施形態に係るＰＭセンサ１０Ｂの詳細について説明する。第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂは、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａにおいて、ケース部材１１を二重管構造にしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明は省略する。また、導電線３２Ａ，３３Ａやコントロールユニット４０については図示を省略している。
　第二実施形態のケース部材１１は、有底円筒状の内側ケース部１１Ａと、内側ケース部１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部１１Ｂとを備えている。
　内側ケース部１１Ａは、先端側が外側ケース部１１Ｂよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部１１Ｂよりも長く形成されている。また、内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出口１３が設けられている。さらに、内側ケース部１１Ａの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口１４が設けられている。この通過口１４は、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。
　流路１５の下流端には、内側ケース部１１Ａの先端側筒壁部と外側ケース部１１Ｂの先端部とにより区画された円環状の導入口１２が形成されている。導入口１２の開口面積Ｓ12は、導出口１３の開口面積Ｓ13よりも小さく形成されている（Ｓ12＜Ｓ13）。
　すなわち、排気管１１０を流れる排気ガスは、外側ケース部１１Ｂよりも突出した内側ケース部１１Ａの筒壁面に当たり、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導入口１２から流路１５内に円滑に取り込まれる。さらに、流路１５内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１Ａに取り込まれ、フィルタ部材３１を通過した後に、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導出口１３から排気管１１０内に円滑に導出されるようになっている。このように、第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂでは、導入口１２と導出口１３とを、排気管１１０内で排気流速が最も速くなる軸中心ＣＬ近傍に配置したことで、フィルタ部材３１を通過する排気流量を効果的に高めることが可能になる。
　［第三実施形態］
　次に、図５に基づいて、第三実施形態に係るＰＭセンサの詳細について説明する。第三実施形態のＰＭセンサは、第一実施形態のセンサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。
　図５（Ａ）は、第三実施形態のセンサ部６０の斜視図、図５（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備えている。
　フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図５（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図５（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図５（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。
　第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。
　すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第三実施形態のＰＭセンサでは、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。
　なお、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
　［その他］
　本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
　例えば、図６に示すように、排気管１１０に酸化触媒２１０とＤＰＦ２２０との間から分岐してＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側で合流するバイパス管１９０を接続し、第一実施形態のセンサ部３０又は、第三実施形態のセンサ部６０をバイパス管１９０内に配置して構成してもよい。
　また、図７に示すように、第一実施形態（又は、第二実施形態）において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

Claims (4)

  1. 　排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを含む多孔質性のフィルタ部材と、
    　前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材と、
    　前記セルに粒子状物質が所定量まで堆積すると、前記セルを加熱して当該堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生手段と、
    　前記フィルタ部材に粒子状物質を含む排気ガスが流れ込まない状態で前記再生手段によるフィルタ再生を実行した場合の前記一対の電極部材間における静電容量減少量を参照減少量として記憶した記憶手段と、
    　前記再生手段によるフィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間は前記一対の電極部材間の静電容量実変化量に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定すると共に、前記再生手段によるフィルタ再生期間は前記一対の電極部材間の静電容量実減少量と前記参照減少量との差に基づいて排気ガス中に含まれる粒子状物質量を推定する推定手段と、を備える
    　ことを特徴とするセンサ。
  2. 　前記推定手段は、再生インターバル期間に前記一対の電極部材間の静電容量実変化量に基づいて推定した粒子状物質量と、フィルタ再生期間に前記一対の電極部材間の静電容量実変化量と前記参照減少量との差に基づいて推定した粒子状物質量とを順次積算することで、排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
    　請求項１に記載のセンサ。
  3. 　前記再生手段は、前記セル内に挿入されて通電により発熱する電熱線を含む
    　請求項１又は２に記載のセンサ。
  4. 　前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板であり、前記再生手段が通電により発熱する平板状のヒータ基板を含み、当該ヒータ基板が前記第１電極板と前記フィルタ層との間又は、前記第２電極板と前記フィルタ層との間の何れかに介設される
    　請求項１又は２に記載のセンサ。
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