WO2016133140A1 - センサ - Google Patents

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WO2016133140A1
WO2016133140A1 PCT/JP2016/054619 JP2016054619W WO2016133140A1 WO 2016133140 A1 WO2016133140 A1 WO 2016133140A1 JP 2016054619 W JP2016054619 W JP 2016054619W WO 2016133140 A1 WO2016133140 A1 WO 2016133140A1
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capacitance
sensor
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exhaust gas
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正 内山
直人 村澤
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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 for detecting the amount of particulate matter (hereinafter referred to as PM) contained in exhaust gas.
  • PM particulate matter
  • a sensor that detects the amount of PM contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine is known.
  • these sensors there is one that detects a PM based on an amount of change in capacitance that occurs when a sensor electrode portion is disposed in an exhaust pipe and PM adheres to the sensor electrode portion (see, for example, Patent Document 1).
  • the sensor failure is determined by utilizing the fact that a peak-like change appears in the capacitance when the condensed water generated by the aggregation of moisture contained in the exhaust gas adheres to the sensor electrode portion.
  • the above-described sensor is for determining a failure of the sensor itself, and does not particularly take into consideration the detection of water existing in the exhaust system of the internal combustion engine, such as condensed water or water entering from outside.
  • the sensor of the present disclosure is intended to detect water present in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • the sensor according to the present disclosure includes a filter member having a plurality of cells that are partitioned by a porous partition and collects particulate matter in exhaust gas, and at least a pair of capacitors that are disposed opposite to each other with the cells interposed therebetween.
  • the internal combustion engine includes an electrode member that estimates the amount of particulate matter in the exhaust gas based on a sensor unit disposed in an exhaust system of the internal combustion engine and a capacitance between the pair of electrode members. And a controller for detecting water present in the exhaust system.
  • the senor of the present disclosure includes at least a filter member having a plurality of cells that are partitioned by a porous partition and collects particulate matter in exhaust gas, and is disposed to face each other with the cells interposed therebetween.
  • a sensor including a pair of electrode members and including a sensor unit disposed in an exhaust system of the internal combustion engine and a control unit, the control unit operating to perform the following processing: An estimation process for estimating the amount of particulate matter in the exhaust gas based on the capacitance between the pair of electrode members; and the exhaust of the internal combustion engine based on the capacitance between the pair of electrode members A detection process that detects water present in the system.
  • water present in the exhaust system of the internal combustion engine can be detected.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an exhaust system to which the PM sensor according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing the PM sensor of the first embodiment.
  • FIG. 3A is a partially enlarged cross-sectional view illustrating PM collection.
  • FIG. 3B is a partially enlarged cross-sectional view for explaining a flooded state.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining a change with time of the capacitance change amount of the PM sensor due to an increase in the PM amount.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the change over time of the capacitance change amount of the PM sensor due to water immersion.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining a change with time of the capacitance when the water is immersed in trapping PM.
  • FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view showing a PM sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 6A is a schematic perspective view of each sensor unit according to the third embodiment.
  • FIG. 6B is a schematic exploded perspective view of each sensor unit according to the third embodiment.
  • 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.
  • an oxidation catalyst 210 a diesel particulate filter (DPF, hereinafter simply referred to as a filter) 220
  • DPF diesel particulate filter
  • NOx purification catalyst 230 a NOx / lambda sensor 240, and the like
  • NOx / lambda sensor 240 a NOx / lambda sensor
  • the oxidation catalyst 210 when supplied with unburned fuel (hydrocarbon (HC)), oxidizes it and raises the exhaust temperature.
  • the filter 220 is formed by arranging a large number of cells partitioned by porous partition walls along the flow direction of the exhaust gas and alternately plugging the upstream side and the downstream side of these cells.
  • the filter 220 collects PM in the exhaust gas in the pores and surfaces of the partition walls, and when the estimated amount of PM deposition reaches a predetermined amount, so-called filter forcible regeneration is performed to remove the PM.
  • Filter forced regeneration is performed, for example, by supplying unburned fuel to the upstream side oxidation catalyst 210 and raising the exhaust gas temperature flowing into the filter 220 to the PM combustion temperature.
  • the NOx purification catalyst 230 reduces and purifies NOx in the exhaust, and the NOx / lambda sensor 240 detects the NOx concentration and the excess air ratio in the exhaust.
  • the PM sensor 10 ⁇ / b> A of the present embodiment is provided in the exhaust pipe 110 downstream of the DPF 220 and upstream of the NOx purification catalyst 230, but the exhaust pipe 110 downstream of the NOx purification catalyst 230. May be provided.
  • 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 35 and 36 described later are inserted.
  • the sensor unit 30 includes a filter member 31, a plurality of pairs of electrode members 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 CM 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 310 in the exhaust gas taken into the case member 11 from the inlet 12 is a cell C1 in which the exhaust gas is plugged downstream, as indicated by the dashed arrow.
  • the upstream side flows into the plugged cell C2 and is collected on the partition wall surface and pores.
  • a cell whose downstream side is plugged is referred to as a measurement cell C1
  • a cell whose upstream side is plugged is referred to as an electrode cell C2.
  • the electrode members 32 and 33 are, for example, conductive metal wires, and alternately alternate from the downstream side (non-plugged side) to the electrode cell C ⁇ b> 2 facing the measurement cell C ⁇ b> 1. Inserted to form a capacitor.
  • the electrodes 32 and 33 are connected to a capacitance detection circuit (not shown) built in the control unit 40 via conductive lines 35 and 36, respectively.
  • the electric heater 34 is, for example, a heating wire, and performs so-called filter regeneration in which PM accumulated in the measuring cell C1 is burned and removed by directly heating the sensor filter 31 by generating heat when energized. For this reason, the electric heater 34 is formed by being bent into a continuous S-shape, and straight portions parallel to each other are inserted into the respective measurement cells C1 along the flow path.
  • the control unit 40 is an example of a control unit according to the present invention, and includes a filter regeneration control unit 41, a PM amount estimation calculation unit 42, a flood determination unit 43, and a sensor protection control 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 determines whether or not a filter regeneration condition is satisfied based on the capacitance Cp between the electrode members 32 and 33 detected by a capacitance detection circuit (not shown), and performs filter regeneration. When the condition is satisfied, filter regeneration control for turning on (energizing) the electric heater 34 is executed.
  • the electrostatic capacity Cp between the electrode members 32 and 33 is expressed by the following equation, which is the dielectric constant ⁇ of the medium between the electrode members 32 and 33, the surface area S of each electrode member 32 and 33, and the distance d between the electrode members 32 and 33. It is represented by 1.
  • Equation 1 the surface area S of each of the electrode members 32 and 33 is constant, and when the dielectric constant ⁇ and the distance d change due to the PM collected in the measurement cell C1, the capacitance Cp also changes accordingly. That is, a proportional relationship is established between the capacitance Cp between the electrode members 32 and 33 and the PM deposition amount of the sensor filter 31.
  • the capacitance Cp between the electrode members 32 and 33 is increased by a change amount ⁇ 1 ( ⁇ Cp / ⁇ t) per unit time due to deposition of PM on the measurement cell C1.
  • the filter regeneration control unit 41 starts filter regeneration that turns on the electric heater 34, assuming that the filter regeneration condition is satisfied. This filter regeneration is continued until the capacitance Cp drops to a predetermined capacitance lower limit threshold CP_min indicating complete removal of PM.
  • the PM amount estimation calculation unit 42 determines the total PM amount in the exhaust gas discharged from the filter 220 based on the capacitance change amount ⁇ Cp of the PM sensor 10A during the regeneration interval (after the filter regeneration ends and the next filter regeneration starts). Estimate m PM .
  • the PM amount m PM collected by the filter member 31 during the regeneration interval is obtained by the following formula 2 obtained by multiplying the capacitance change amount ⁇ Cp of the PM sensor 10A by the primary coefficient ⁇ .
  • the inundation determination unit 43 determines whether water is present in the exhaust system based on the peak value of the capacitance Cp of the PM sensor 10A and the change amount ⁇ ( ⁇ Cp / ⁇ t) of the capacitance per unit time. Determine whether. If the water is present, the amount of water is estimated.
  • the peak value of the capacitance Cp in the PM sensor 10A is sufficiently higher than that at the time of PM deposition, and the change amount ⁇ of the capacitance until the peak is reached is It becomes steeper (inclination is larger) than when PM is deposited. Furthermore, the peak value of the capacitance Cp increases as the amount of water 320 held in the filter member 31 increases, and the change amount ⁇ ( ⁇ Cp / ⁇ t) per unit time of the capacitance is held in the filter member 31. As the amount of the water 320 is increased, the water becomes steeper.
  • the static capacitance Cp is static during a period (time t 0 -t 1 ) until the capacitance Cp reaches the peak value Cp w_pk1.
  • the capacitance Cp increases with a change amount ⁇ 2 that is sufficiently steeper than the change amount ⁇ 1 during PM deposition.
  • the capacitance Cp is increased in steeper variation theta 3 than the variation theta 2 to the peak value Cp W_pk2 To do.
  • the capacitance Cp decreases to Cp_min (time t 3 -t 4 ).
  • the inundation determination unit 43 determines at least one of the case where the peak value Cp w_pk of the capacitance is equal to or greater than the predetermined upper limit threshold and the case where the change amount ⁇ of the capacitance Cp is equal to or greater than the predetermined upper limit threshold.
  • the inundation determination unit 43 determines the amount of water present based on the value of the capacitance peak value Cp w_pk .
  • the determination of the amount of water can be performed by using, for example, a determination map. This map can be created by changing the amount of water retained by the filter member 31 and measuring the corresponding peak value Cp w_pk of the capacitance.
  • FIG. 4C shows an example in the case where water enters the PM trapping concentration from the outside.
  • the capacitance Cp increases with a change amount ⁇ 1 corresponding to the PM deposition amount.
  • the period from the electrostatic capacitance Cp _BS at time t 1 rises rapidly until Cp _pk, since it is returned to the Cp _BS at time t 2, flooding determination unit 43 from time t 1 to time t 2 , It is determined that the water 320 has entered the exhaust system from the outside because the predetermined determination condition is satisfied.
  • the sensor protection control unit 44 protects the sensor by prohibiting energization of various sensors when the inundation determination unit 43 determines that water is present in the exhaust system. In the present embodiment, energization of a heater (not shown) included in the NOx / lambda sensor 240 is prohibited, and the NOx / lambda sensor 240 is protected.
  • the inundation determination unit 43 determines the exhaust system of the engine 100 based on the change amount ⁇ ( ⁇ Cp / ⁇ T) per unit time of the capacitance Cp between the electrode members 32 and 33 and the peak value Cp_pk. Can detect water (flocculated water and intrusion water) present in water. Thus, since water is detected based on the electrostatic capacitance Cp between the electrode members 32 and 33, water existing in the exhaust system can be detected. Further, water is detected by a PM sensor 10A that detects the amount of PM. That is, the PM sensor 10A is used for both detection of PM and detection of water existing in the exhaust system. For this reason, it is not necessary to provide a dedicated sensor separately, and the configuration can be simplified.
  • the sensor protection control unit 44 can protect the various sensors because the infiltration determination unit 43 prohibits the energization of the various sensors during the period in which it is determined that water is present in the exhaust system.
  • the PM sensor 10B of the second embodiment is a PM sensor 10A of the first embodiment in which the case member has a double tube structure. Since other components have the same structure, detailed description thereof is omitted. Further, illustration of some components such as the control unit 40 is omitted.
  • the case member of the second embodiment includes a bottomed cylindrical inner case portion 11A and a cylindrical outer case portion 15 surrounding the cylindrical outer peripheral surface of the inner case portion 11A.
  • the inner case portion 11 ⁇ / b> A has an axial length longer than that of the outer case portion 15 so that the tip side protrudes from the outer case portion 15.
  • a discharge port 13 through which exhaust gas in the inner case portion 15 is led 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 16 defined by the outer peripheral surface of the inner case portion 11A and the inner peripheral surface of the outer case portion 15 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 15.
  • 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 that protrudes to the front end side from the outer case portion 15, and flows from the inlet 12 disposed in the vicinity of the axial center CL of the exhaust pipe 110. It is taken in smoothly. Further, exhaust gas flowing in the flow path 16 is taken into the inner case portion 11 from the passage port 14, passes through the filter member 31, and then is discharged 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 introduction port 12 and the outlet port 13 are disposed in the vicinity of the axial center CL where the exhaust gas flow velocity becomes the fastest in the exhaust pipe 110, and thus pass through the sensor filter 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. 6A is a perspective view of the sensor unit 60 according to the third embodiment
  • FIG. 6B 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 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 C12 whose upstream side is plugged from the cell C11 whose downstream side is plugged, as shown by a broken line arrow in FIG. 6B.
  • C11 is collected on the partition wall surface and pores.
  • the cell flow path direction is the length direction of the sensor section 60 (arrow L in FIG. 6A), and the direction orthogonal to the cell flow path direction is the width direction of the sensor section 60 (arrow in FIG. 6A). W).
  • the pair of electrode plates 62 and 63 is, for example, a flat plate-like conductive member, and the outer dimensions in the length direction L and the width direction W are formed substantially the same as the filter layer 61.
  • the pair of electrode plates 62 and 63 are alternately stacked with the filter layer 61 interposed therebetween, and are connected to a capacitance detection circuit (not shown) built in the control unit 40 via the conductive lines 64 and 65, respectively. Yes.
  • the entire cell C11 forms a capacitor by arranging the pair of electrode plates 62 and 63 facing each other and sandwiching the filter layer 61 between the electrode plates 62 and 63.
  • the electrode surface area S can be effectively secured, and the detectable static The absolute value of capacitance can be increased. Further, since the inter-electrode distance d becomes the cell pitch and is made uniform, variations in the initial capacitance can be effectively suppressed.
  • the sensor of the present invention has an effect that it can detect water present in the exhaust system of the internal combustion engine, and is useful in that the sensor can be protected.

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Abstract

　多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材３１、及び、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３２，３３を含み、エンジン１００の排気系に配置されるセンサ部３０と、一対の電極部材３２，３３間の静電容量に基づいて排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、エンジン１００の排気系に存在する水を検出するコントロールユニット４０と、を備える。

Description

センサ
　本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）の量を検出するセンサに関する。
　内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＰＭの量を検出するセンサが知られている。このセンサには、センサ電極部を排気管内に配置し、ＰＭがセンサ電極部に付着することで生じる静電容量の変化量に基づいてＰＭを検出するものがある（例えば特許文献１参照）。
　このセンサでは、排気に含まれる水分の凝集で生じた凝集水がセンサ電極部に付着すると静電容量にピーク状の変化が現れることを利用し、センサの故障判定を行っている。
日本国特開２０１０－２７５９１７号公報
　各種センサ類を保護する観点などから、凝集水については確実に検出されることが望ましい。また、内燃機関の排気系には外部から水が浸入することがあるが、同様の理由で外部から浸入した水についても確実に検出されることが望ましい。しかしながら、前述のセンサは、センサ自体の故障を判定するものであり、凝集水や外部から浸入した水のように、内燃機関の排気系に存在する水の検出については特に考慮されていない。
　本開示のセンサは、内燃機関の排気系に存在する水を検出することを目的とする。
　本開示のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、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を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する制御部と、を備える。
　また、本開示のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、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を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、制御ユニットとを備えるセンサであって、前記制御ユニットは、以下の処理を実行するように動作する：
  前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定する推定処理；及び
  前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する検出処理。
　本開示のセンサによれば、内燃機関の排気系に存在する水を検出することができる。
図１は、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。 図２は、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。 図３ＡはＰＭの捕集を説明する部分拡大断面図である。 図３Ｂは浸水状態を説明する部分拡大断面図である。 図４ＡはＰＭ量の増加によるＰＭセンサの静電容量変化量の経時的な変化を説明する図である。 図４Ｂは浸水によるＰＭセンサの静電容量変化量の経時的な変化を説明する図である。 図４ＣはＰＭの捕集中に浸水した場合における静電容量の経時的な変化を説明する図である。 図５は、第二実施形態に係るＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 図６Ａは、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な斜視図である。 図６Ｂは、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な分解斜視図である。
　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１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。エンジン１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ディーゼルパテキュレートフィルタ（ＤＰＦ，以下単にフィルタともいう）２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０などが設けられている。
　酸化触媒２１０は未燃燃料（炭化水素（ＨＣ））が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。フィルタ２２０は、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これら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。フィルタ２２０は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実行される。フィルタ強制再生は、例えば上流側の酸化触媒２１０に未燃燃料を供給し、フィルタ２２０に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。ＮＯｘ浄化触媒２３０は排気中のＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０は排気中のＮＯｘ濃度や空気過剰率を検出する。本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、例えば、ＤＰＦ２２０よりも下流側であってＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側の排気管１１０に設けられているが、ＮＯｘ浄化触媒２３０よりも下流側の排気管１１０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３５，３６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、複数対の電極部材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ＣＭを介して保持されている。
　図３Ａに拡大して示すように、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ＰＭ３１０は、破線の矢印で示すように、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、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Ｃ１といい、上流側が目封止されたセルを電極用セルＣ２という。
　図２に示すように、電極部材３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルＣ１を挟んで対向する電極用セルＣ２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３５，３６を介してそれぞれ接続されている。
　電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、通電により発熱してセンサフィルタ３１を直接加熱することで、測定用セルＣ１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、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Ｃ１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、本発明の制御部の一例であり、フィルタ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、浸水判定部４３と、センサ保護制御部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、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいてフィルタ再生条件が成立したか否かを判定し、フィルタ再生条件が成立した場合に、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。電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極部材３２，３３間の媒体の誘電率ε、各電極部材３２，３３の表面積Ｓ、電極部材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、各電極部材３２，３３の表面積Ｓは一定であり、測定用セルＣ１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、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐとセンサフィルタ３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。
　図４Ａに示す例において、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐは、ＰＭの測定用セルＣ１への堆積によって単位時間あたりの変化量θ１（ΔＣｐ／△ｔ）で上昇している。フィルタ再生制御部４１は、静電容量ＣｐがＰＭ上限堆積量を示す静電容量上限閾値ＣＰ＿ｍａｘに達すると、フィルタ再生条件が成立したとして電気ヒータ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。
　ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバル間（フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始）におけるＰＭセンサ１０Ａの静電容量変化量ΔＣｐに基づいて、フィルタ２２０から排出された排気ガス中の総ＰＭ量ｍＰＭを推定する。再生インターバル間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍＰＭは、ＰＭセンサ１０Ａの静電容量変化量ΔＣｐに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　浸水判定部４３は、ＰＭセンサ１０Ａの静電容量Ｃｐのピーク値や単位時間あたりの静電容量の変化量θ（ΔＣｐ／△ｔ）に基づいて、排気系の内部に水が存在するか否かを判定する。並びに、水が存在している場合には水の量を推定する。
　排気系の内部に水が存在すると、図３Ｂに示すように、この水の一部はフィルタ部材３１に保持される。詳しくは、フィルタ部材３１が備える測定用セルＣ１や電極用セルＣ２に保持される。これらの測定用セルＣ１や電極用セルＣ２は格子状の細長い空間であるため、水３２０は各セルＣ１，Ｃ２の内部へ円滑に取り込まれて保持される。
　水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、ＰＭセンサ１０Ａにおける静電容量Ｃｐのピーク値はＰＭの堆積時よりも十分に高くなり、かつ、ピークに達するまでの静電容量の変化量θはＰＭの堆積時より急峻に（傾きが大きく）なる。さらに、静電容量Ｃｐのピーク値はフィルタ部材３１に保持された水３２０の量が多くなるほど高くなり、静電容量の単位時間あたりの変化量θ（ΔＣｐ／△ｔ）はフィルタ部材３１に保持された水３２０の量が多くなるほど急峻になる。
　図４Ｂに一点鎖線で示すように、所定量の水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、静電容量Ｃｐがピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋ１に達するまでの期間（時刻ｔ０－ｔ１）において、静電容量ＣｐはＰＭ堆積時の変化量θ１よりも十分に急峻な変化量θ２で上昇する。図４Ｂに破線で示すように、さらに多くの水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、静電容量Ｃｐは、ピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋ２まで変化量θ２よりもさらに急峻な変化量θ３で上昇する。そして、何れのケースにおいても、排気の流通などによって水３２０がフィルタ部材３１から蒸発すると、静電容量ＣｐはＣｐ＿ｍｉｎまで低下する（時刻ｔ３－ｔ４）。
　従って、浸水判定部４３は、静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋが所定の上限閾値以上である場合、及び、静電容量Ｃｐの変化量θが所定の上限閾値以上である場合の少なくとも一方の判定条件を満たした場合に、排気系の内部に水３２０が存在すると判定する。また、浸水判定部４３は、静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋの値に基づいて存在する水の量を判定する。水の量の判定は、例えば判定用のマップを用いることで行える。このマップは、フィルタ部材３１に保持させる水の量を変化させ、対応する静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋを測定することで作成できる。
　図４Ｃは、ＰＭの捕集中に外部から水が浸入した場合の例を示している。図４Ｃに示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間において、静電容量ＣｐはＰＭ堆積量に応じた変化量θ１で上昇している。その後、時刻ｔ１で静電容量がＣｐ＿ｂｓからＣｐ＿ｐｋまで急激に上昇し、時刻ｔ２でＣｐ＿ｂｓまで戻っていることから、浸水判定部４３は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、所定の判定条件を満たしたとして外部から水３２０が排気系に浸入したと判定する。
　センサ保護制御部４４は、浸水判定部４３によって排気系に水が存在すると判定された場合に、各種センサへの通電を禁止してセンサを保護する。本実施形態では、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０が有するヒータ（不図示）への通電を禁止し、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０を保護している。
　このように、浸水判定部４３は、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐの単位時間あたりの変化量θ（△Ｃｐ／△Ｔ）やピーク値Ｃｐ＿ｐｋに基づいて、エンジン１００の排気系に存在する水（凝集水や浸入水）を検出できる。このように、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいて水を検出しているので、排気系に存在する水を検出することができる。また、水の検出は、ＰＭの量を検出するＰＭセンサ１０Ａで行われている。すなわち、ＰＭセンサ１０ＡをＰＭの検出と排気系に存在する水の検出の両方に用いている。このため、専用のセンサを別途設ける必要がなく構成の簡素化が図れる。
　また、センサ保護制御部４４は、浸水判定部４３が排気系に水が存在していると判定している期間において、各種センサへの通電を禁止しているので、各種センサを保護できる。
　［第二実施形態］
　次に、図５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、コントロールユニット４０など一部の構成要素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１５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１５よりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部１５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１５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１５の内周面とで区画された流路１６内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。
　流路１６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１５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１５よりも先端側に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１６内に円滑に取り込まれる。さらに、流路１６内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１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、センサフィルタ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６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６Ａは、第三実施形態のセンサ部６０の斜視図、図６Ｂ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６Ｂ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Ｃ１１から上流側を目封止されたセルＣ１２に流れ込むことで、セルＣ１１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６Ａ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６Ａ中の矢印Ｗ）とする。
　一対の電極板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。これら一対の電極板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６４，６５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、一対の電極板６２，６３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Ｃ１１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Ｃ１１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できる。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Ｃ１１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。
　本出願は、2015年02月20日付で出願された日本国特許出願（特願2015-031525）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明のセンサは、内燃機関の排気系に存在する水を検出することが可能という効果を有し、センサの保護が可能となる点において有用である。
　１０Ａ，１０Ｂ　ＰＭセンサ
　１１　ケース部材
　１２　導入口
　１３　導出口
　２０　台座部
　２１　雄ネジ部
　２２　ナット部
　３０　センサ部
　３１　フィルタ部材
　３２，３３　電極部材
　３４　電気ヒータ
　４０　コントロールユニット
　４１　フィルタ再生制御部
　４２　ＰＭ量推定演算部
　４３　浸水判定部
　４４　センサ保護制御部

Claims (6)

  1. 　多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、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を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、
    　前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する制御部と、を備えるセンサ。
  2. 　前記制御部は、前記一対の電極部材間の静電容量変化量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定し、前記一対の電極部材間の単位時間あたりの静電容量変化量と静電容量のピーク値の少なくとも一方に基づいて、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する
    　請求項１に記載のセンサ。
  3. 　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、
    　一対の前記電極部材が、前記フィルタ層を挟んで対向する一対の平板状電極である
    　請求項１又は２に記載のセンサ。
  4. 　多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、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を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、
    　制御ユニットと
    を備えるセンサであって、
    　前記制御ユニットは、以下の処理を実行するように動作する：
    　前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定する推定処理；及び
    　前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する検出処理。
  5. 　前記推定処理は、前記一対の電極部材間の静電容量変化量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定する処理を含み、
    　前記検出処理は、前記一対の電極部材間の単位時間あたりの静電容量変化量と静電容量のピーク値の少なくとも一方に基づいて、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する処理を含む
    　請求項４に記載のセンサ。
  6. 　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、
    　一対の前記電極部材が、前記フィルタ層を挟んで対向する一対の平板状電極である
    　請求項４又は５に記載のセンサ。
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