JP2012246778A - Ｐｍセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出でき、かつ、検出に十分な大きさの静電容量が確保できるＰＭセンサを提供する。
【解決手段】ＤＰＦ３の外周に沿ってＤＰＦ３を覆う電極板からなる第１番電極６と、第１番電極６より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第２番電極７と、第２番電極７より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第３番電極８とを備え、第１番電極６と第３番電極８とがコンデンサの片側電極４であり、第２番電極７がコンデンサの反対側電極５である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出でき、かつ、検出に十分な大きさの静電容量が確保できるＰＭセンサに関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関が搭載された車両では、内燃機関から大気までの排ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）が設置され、このＤＰＦに粒子状物質（Particulate Matter；以下、ＰＭという）が捕集される。ＤＰＦは、多孔質セラミックからなるハニカム細孔状のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。

ＤＰＦに捕集されているＰＭの量（以下、ＰＭ堆積量という）が多くなると内燃機関の排気圧力が上昇し内燃機関の特性低下をきたすため、捕集されているＰＭを燃焼させる処理が行われる。この処理をＤＰＦ再生という。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射が行われる。排気温度が上昇すると、ＤＰＦが昇温され、ＤＰＦに捕集されているＰＭが燃焼する。

このとき、ＰＭ堆積量が多すぎると、ＤＰＦ再生時の熱でＤＰＦが損傷してしまう。ＰＭ堆積量が多すぎにならないうちにＤＰＦ再生するためには、ＰＭ堆積量を正確に検出する必要がある。

ＰＭ堆積量を検出するＰＭセンサとして、ＤＰＦに２つの電極が設置され、２つの電極により形成されるコンデンサの静電容量からＰＭ堆積量が検出されるものが知られている。この種のＰＭセンサでは、誘電体と導体の混合物であるＰＭが電極間に堆積することになるので、ＰＭ堆積量に対して直線的に静電容量が増大する。

図９に示された従来のＰＭセンサ９１は、円柱状のＤＰＦ９２の外周に半割円筒状に形成された２つの電極９３、９４が設置されている。２つの電極９３、９４がＤＰＦ９２を挟んで対向することにより、２つの電極９３、９４により形成されるコンデンサの静電容量がＤＰＦ９２の全体のＰＭ堆積量に応じて変化する（特許文献１）。

図１０に示された従来のＰＭセンサ１０１は、円柱状のＤＰＦ１０２の外周に一方の電極１０３が設置され、これよりも内側にもう一方の電極１０４が同心状に設置されている。２つの電極１０３、１０４により形成されるコンデンサの静電容量が２つの電極１０３、１０４に挟まれたＤＰＦ１０２の一部分のＰＭ堆積量に応じて変化する（特許文献２）。

特開２０１０−１４４６３０号公報 特開２０１１−０１２５７７号公報

図９のＰＭセンサ９１では、ＤＰＦ９２の外周に２つの電極９３、９４が設置されて対向している。しかし、ＤＰＦ９２の直径が２００ｍｍほどであるため、２つの電極９３、９４によるコンデンサは、電極間距離が大きく、静電容量が非常に小さくなって、ＰＭ堆積量を正確に検出するには実用的でない。

図１０のＰＭセンサ１０１では、ＤＰＦ１０２の外周に一方の電極１０３が設置され、内側にもう一方の電極１０４が設置されている。この場合も、内側の電極１０４が外周の電極１０３からあまり遠いと、コンデンサの静電容量が非常に小さくなって、ＰＭ堆積量を正確に検出するには実用的でない。

図９のＰＭセンサ９１は電極間距離を短縮できないが、図１０のＰＭセンサ１０１は内側の電極１０４を外周に近づけることで電極間距離を短縮できる。

ところが、ＤＰＦ再生時に排気温度が上昇したときＤＰＦの温度上昇は径方向に均一でなく、ＤＰＦの中心部分が高温になっても、周辺部分は外部に熱を奪われて低温のままであるため、ＰＭの燃焼温度に達しない。

このため、ＤＰＦ再生時にＤＰＦの中心部分ではＰＭが良好に燃焼するが、周辺部分ではＰＭがほとんど燃焼せず、いったん堆積したＰＭはＤＰＦ再生によっても燃焼することなく、残存し続ける。

このように、周辺部分ではＤＰＦ再生を実施してもＰＭが残存し続けるので、図１０のＰＭセンサ１０１において内側の電極１０４を外周に近づけていくと、残存し続けているＰＭが主として検出されることになり、堆積されたり除去されたりしている中心部分のＰＭは検出されなくなる。すなわち、ＰＭセンサ１０１ではＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出でき、かつ、検出に十分な大きさの静電容量が確保できるＰＭセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のＰＭセンサは、複数のセルが縦横に積層されてなるディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）に複数の電極が設けられ、前記複数の電極により形成されるコンデンサの静電容量により前記ＤＰＦの粒子状物質（以下、ＰＭという）の堆積量が検出されるＰＭセンサにおいて、前記ＤＰＦの外周に沿って前記ＤＰＦを覆う電極板からなる第１番電極と、前記第１番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第２番電極と、前記第２番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第３番電極とを備え、前記第１番電極と第３番電極とが前記コンデンサの片側電極であり、前記第２番電極が前記コンデンサの反対側電極であるものである。

前記第３番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第４番電極を備え、前記第４番電極が前記コンデンサの反対側電極であってもよい。

前記第４番電極より順次内周に位置する閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる奇数番電極と偶数番電極とを交互に備え、奇数番電極が前記コンデンサの片側電極であり、偶数番電極が前記コンデンサの反対側電極であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出できる。

（２）検出に十分な大きさの静電容量が確保できる。

本発明の一実施形態を示すＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの端面図である。 図１のＤＰＦの斜視図である。 本発明が適用されるＤＰＦの部分端面図である。 本発明が適用されるＤＰＦの部分側断面図である。 図１のＤＰＦの部分端面図である。 図１のＤＰＦの部分端面図である。 本発明の他の実施形態を示すＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの端面図である。 本発明の他の実施形態を示すＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの端面図である。 従来のＰＭセンサの斜視図である。 従来のＰＭセンサの斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２に示されるように、本発明に係るＰＭセンサ１は、複数のセル２（図５、図６参照）が縦横に積層されてなるＤＰＦ３に複数の電極４、５が設けられ、複数の電極４、５により形成されるコンデンサの静電容量によりＤＰＦ３のＰＭ堆積量が検出されるＰＭセンサにおいて、ＤＰＦ３の外周に沿ってＤＰＦ３を覆う電極板からなる第１番電極６と、第１番電極６より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第２番電極７と、第２番電極７より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第３番電極８とを備え、第１番電極６と第３番電極８とが前記コンデンサの片側電極４であり、第２番電極７が前記コンデンサの反対側電極５であるものである。

第１番電極６と第３番電極８とからなる片側電極４と、第２番電極７からなる反対側電極５は、それぞれ図示しない検出回路に接続される。検出回路は、従来と同様であるので、説明を省略する。

ここで、本発明の基礎としてＤＰＦの構造と機能について説明する。

図３に示されるように、ＤＰＦ３は、多孔質材料からなる壁９で縦横の四面が囲まれた複数のセル２が縦横に積層されセル２の端面が縦横に交互に目封じされてなる。図では、目封じをハッチングで示す。目封じされたセル２を目封じセル２ａ、目封じされないセルを開放セル２ｂという。図示のように、目封じセル２ａの両縦隣及び両横隣は開放セル２ｂであり、開放セル２ｂの両縦隣及び両横隣は目封じセル２ａである。なお、セル２の端面形状は、ここでは正方形としているが、長方形、平行四辺形など、連続的に並べることのできる形状であればよい。

片側端面と反対側端面とでは、目封じと開放とが逆転する。すなわち、１つのセル２は、片側端面が目封じされていれば、反対側端面は必ず開放であり、片側端面が開放であれば、反対側端面は必ず目封じされている。従って、同じセル２が片側から見れば目封じセル２ａとなり、反対側から見れば開放セル２ｂとなる。

図４に示されるように、ＤＰＦ３は、排ガスの排出流路に設置され、どちらかの端面が上流に望み、反対の端面が下流に望む。上流に望む面では、目封じセル２ａには排ガスは流入せず、開放セル２ｂのみに排ガスが流入する。排ガスが流入した開放セル２ｂは、下流に望む反対側端面で目封じされて目封じセル２ａとなっているため、排ガスは、多孔質材料からなる壁９を通り抜けて、隣の目封じセル２ａに移動する。隣の目封じセル２ａは、下流に望む反対側端面が開放されて開放セル２ｂとなっているため、排ガスは、この開放セル２ｂから流出する。このようにして、排ガスが壁９を通り抜けるときに、排ガス中のＰＭが多孔質材料からなる壁９に吸着される。図４では、１つの開放セル２ｂに流入した排ガスが隣接する２つの目封じセル２ａに移動するように示されているが、実際には１つの開放セル２ｂに流入した排ガスが縦横に隣接する４つの目封じセル２ａに移動するので、縦横４つの壁９にＰＭが吸着される。

本発明のＰＭセンサ１では、図３のようなハニカム細孔構造を有するＤＰＦ３の内部に同心状の電極を形成するべく、適宜な閉曲線に沿った位置のセル２に電線が挿入される。具体的には、図５及び図６に示されるように、全ての開放セル２ｂのうち特定のパターンに属する複数の開放セル２ｂに第２番以降の電極となる電線（黒丸で示す）が挿入される。開放セル２ｂに挿入される電線は、例えば、金属線である。

電線が端面から挿入される深さは、任意であるが、深く挿入するほど電極長さが長くなり、電極対向面積の増加に寄与する。従って、例えば、電線は、開放セル２ｂの反対側端面の目封じされている箇所近くまで届いているのが好ましい。

電線が挿入される端面は、排ガスの排出流路の上流に望む端面でも、下流に望む端面でもよいが、第２番電極７の電線と第３番電極８の電線は、同じ端面に挿入される。

図５のパターンでは、対角方向一列に並ぶ複数の開放セル２ｂに電線が挿入される。図６のパターンでは、縦方向一列に並ぶ複数の開放セル２ｂに電線が挿入される。図示しないが、図６のパターンと同様に、横方向一列に並ぶ複数の開放セル２ｂに電線が挿入されるパターンも存在する。また、図５のパターンに対して直交する対角方向一列に並ぶ複数の開放セル２ｂに電線が挿入されるパターンも存在する。これらのパターンを組み合わせて図１の第２番電極７、第３番電極８に見られるような八角形の閉曲線が形成できる。閉曲線は、図２の第３番電極８のように四角形でもよく、六角形でもよい。

一列の開放セル２ｂに挿入された電線同士は、短絡線１０で短絡される。同様に、別の一列の開放セル２ｂに挿入された電線同士は、別の短絡線１１で短絡される。このようにして、複数の開放セル２ｂに挿入された複数の電線が列ごとに短絡線１０、１１でそれぞれ短絡されることで、図１に示した第２番電極７、第３番電極８が形成される。

図５のパターンでは、電線が挿入された開放セル２ｂの一列と別の一列との間隔（短絡線１０と短絡線１１の間隔）は、対角線方向に見て電線が挿入されない開放セル２ｂが数個挟まれる程度とする。図示例では、３個の開放セル２ｂが挟まれているが、２個でも４個以上でもよい。図６のパターンでは、電線が挿入された開放セル２ｂの一列と別の一列との間隔（短絡線１０と短絡線１１の間隔）は、横方向に見て電線が挿入されない開放セル２ｂが数個挟まれる程度とする。図示例では、２個の開放セル２ｂが挟まれているが、３個以上でもよい。

以下、本発明のＰＭセンサ１の動作を説明する。

図１に示されるように、ＰＭセンサ１は、ＤＰＦ３の外周に沿ってＤＰＦ３を覆う電極板からなる第１番電極６と、第１番電極６より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第２番電極７と、第２番電極７より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第３番電極８とを備える。したがって、第１番電極６と第３番電極８とを片側電極４とし、第２番電極７を反対側電極５とするコンデンサは、所定の電極間距離と電極対向面積を有する同心三重円筒状の電極板からなるコンデンサと見なせる。

ＤＰＦ３にＰＭが堆積すると、片側電極４と反対側電極５の間にあるセル２の壁に堆積したＰＭの堆積量が増加する。よって、片側電極４と反対側電極５からなるコンデンサの静電容量が増加する。

このとき、本発明のＰＭセンサ１では、１つの反対側電極５に対して２つの片側電極４があるため、図１０のＰＭセンサ１０１のように外周の電極１０３と内側の電極１０４のみからなるコンデンサよりも静電容量が大きくなり、ＰＭ堆積量を正確に検出することができる。

また、本発明のＰＭセンサ１では、ＰＭセンサ１０１のように電極１０３、１０４がＤＰＦ１０２の外周近くに偏った配置とは異なり、片側電極４のひとつである第３番電極８が第２番電極７より内周にあるため、ＤＰＦ３全体の平均的なＰＭ堆積量を検出することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図７に示されるように、本発明のＰＭセンサ７１は、ＰＭセンサ１の構成に加えて、第３番電極８より内周に位置してＤＰＦ３の中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる第４番電極１２を備える。第４番電極１２が反対側電極５となることで、同心四重円筒状の電極板からなるコンデンサが形成され、ＰＭセンサ１よりも静電容量が大きくなってＰＭ堆積量を正確に検出することができると共に、ＤＰＦ３全体の平均的なＰＭ堆積量を検出することができる。特に、図示のものは、第４番電極１２がＤＰＦ３のほぼ中心に位置しているので、ＤＰＦ３の外周から中心まで全範囲のＰＭ堆積量を検出することができる。なお、第４番電極１２の電線は、閉曲線でなく、直線に沿ってセル２に挿入されているが、これは第４番電極１２よりも内側には電極を設ける必要がないからである。

図８に示されるように、本発明のＰＭセンサ８１は、ＰＭセンサ７１の構成に加えて、第４番電極１２より順次内周に位置する閉曲線に沿って複数のセル２に挿入された複数の電線からなる１ないし複数の奇数番電極１３と１ないし複数の偶数番電極１４とを交互に備える。奇数番電極１３が片側電極４となり、偶数番電極１４が反対側電極５となることで、同心多重円筒状の電極板からなるコンデンサが形成される。このコンデンサは、総合の電極対向面積が非常に大きく、電極間距離も短いので、ＰＭセンサ７１よりも静電容量が大きくなる。

１ ＰＭセンサ
２ セル
２ａ 目封じセル
２ｂ 開放セル
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
４ 片側電極
５ 反対側電極
６ 第１番電極
７ 第２番電極
８ 第３番電極
１２ 第４番電極

Claims (3)

1. 複数のセルが縦横に積層されてなるディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）に複数の電極が設けられ、前記複数の電極により形成されるコンデンサの静電容量により前記ＤＰＦの粒子状物質（以下、ＰＭという）の堆積量が検出されるＰＭセンサにおいて、
   前記ＤＰＦの外周に沿って前記ＤＰＦを覆う電極板からなる第１番電極と、
   前記第１番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第２番電極と、
   前記第２番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第３番電極とを備え、
   前記第１番電極と第３番電極とが前記コンデンサの片側電極であり、前記第２番電極が前記コンデンサの反対側電極であることを特徴とするＰＭセンサ。
2. 前記第３番電極より内周に位置して前記ＤＰＦの中心を取り巻く閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる第４番電極を備え、
   前記第４番電極が前記コンデンサの反対側電極であることを特徴とする請求項１記載のＰＭセンサ。
3. 前記第４番電極より順次内周に位置する閉曲線に沿って複数のセルに挿入された複数の電線からなる奇数番電極と偶数番電極とを交互に備え、
   奇数番電極が前記コンデンサの片側電極であり、偶数番電極が前記コンデンサの反対側電極であることを特徴とする請求項２記載のＰＭセンサ。