JP2017191050A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】自己診断機能を搭載したＰＭセンサを提供する。【解決手段】ＰＭセンサは、排気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と、セルを挟んで対向配置される複数対の電極と、複数対の電極間の電気的特性値に基づいて粒子状物質量を推定する推定部と、複数対の電極間の粒子状物質量の差の大きさと予め定めた閾値との比較を行い、該比較の結果に基づいて、異常が発生したか否かの診断を行う診断部と、を備える。【選択図】図３Ａ

Description

本開示は、センサに関し、特にＰＭ（粒子状物質）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ＰＭセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の電気抵抗型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。

特開２０１２−８３２１０号公報

近年、環境汚染防止の観点から、内燃機関から排出される排気ガス中のＰＭ値の上限値が法令により定められている。法令を遵守するために、排気ガス中のＰＭ値をＰＭセンサにより測定し、測定されたＰＭ値がＰＭ値の上限値を超えないように排気ガスを監視する必要がある。

しかしながら、何らかの原因によりＰＭセンサが正常に機能しなくなると、排気ガスを適切に監視することができなくなる。このため、国によっては、ＰＭセンサが正常に機能しているか否かを自己診断するために、ＰＭセンサ自体に自己診断機能の搭載を義務づける法規もある。

本開示の目的は、自己診断機能を搭載したＰＭセンサを提供することである。

本開示の一態様に係るセンサは、排気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と、前記セルを挟んで対向配置される複数対の電極と、前記複数対の電極間の電気的特性値に基づいて粒子状物質量を推定する推定部と、前記複数対の電極間の粒子状物質量の差の大きさと予め定めた閾値との比較を行い、該比較の結果に基づいて異常が発生したか否かの診断を行う診断部と、を備え、前記診断部は、前記フィルタ部材の再生処理に連動させて前記診断を実行する構成を採る。

本開示によれば、自己診断機能を搭載したＰＭセンサを提供することができる。

第１の実施形態のＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。 第１の実施形態のＰＭセンサの説明図である。 第１の実施形態のＰＭセンサのセンサ部およびコントロールユニットの説明図である。 第１の実施形態のＰＭセンサのセンサ部の分解斜視図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のＰＭセンサ１０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、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１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０およびＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０のいずれかに設けられる。

図２は、第１の実施形態のＰＭセンサ１０の説明図である。図３Ａは、第１の実施形態のＰＭセンサ１０のセンサ部６０およびコントロールユニット４０の説明図である。図３Ｂは、第１の実施形態のＰＭセンサ１０のセンサ部６０の分解斜視図である。

ＰＭセンサ１０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６０と、センサ部６０と電気的に接続された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とを備えた二重管構造を有する。

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、その軸方向長さが外側ケース部１１Ｂよりも長くなるよう形成されている。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の上流端には、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Ｓ_１２は、導出口１３の開口面積Ｓ_１３よりも小さく形成されている（Ｓ_１２＜Ｓ_１３）。

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、センサ部６０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。ＰＭセンサ１０においては、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。これにより、フィルタ部材６１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。

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２１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およびナット部２２には、第１の導電線６２Ａ、第２の導電線６３Ａ、第３の導電線６２Ｂ、および第４の導電線６３Ｂ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６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１の電極板６２および第２の電極板６３とを備えている。

フィルタ層６１は、排気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として機能する。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３Ｂ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（図３Ｂでは隔壁は図を見やすくするため省略されている。）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３Ａ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３Ａ中の矢印Ｗ）とする。

第１の電極板６２および第２の電極板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および幅方向Ｗの外形寸法がフィルタ層６１と略同一に形成されている。第１の電極板６２および第２の電極板６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層される。

第１の電極板６２と第２の電極板６３とを対向配置し、第１の電極板６２と第２の電極板６３間にフィルタ層６１を挟持させたことでコンデンサを形成するようになっている。平板状の第１の電極板６２と第２の電極板６３によりコンデンサを形成することで、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の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、初期の静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

第１の電極板６２は、第１の導電線６２Ａまたは第３の導電線６２Ｂを介してコントロールユニット４０にそれぞれ接続されている。同様に、第２の電極板６３は、第２の導電線６３Ａまたは第４の導電線６３Ｂを介してコントロールユニット４０にそれぞれ接続されている。

コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａと、第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂと、診断部４３とを備える。

フィルタ再生制御部４１は、静電容量検出回路（図示せず）によって検出される第１の電極板６２および第２の電極板６３間の静電容量に応じて電気ヒータ（図示せず）を通電する。通電した電気ヒータから発生する熱が、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する。こうして、フィルタ再生制御部４１は、フィルタ層６１のフィルタ再生を制御する。これに代えて、フィルタ再生制御部４１は、第１の電極板６２および第２の電極板６３に電圧を直接印加し、第１の電極板６２および第２の電極板６３から発生した熱によりセルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去させることにより、フィルタ層６１のフィルタ再生を制御してもよい。

第１のＰＭ量推定演算部４２Ａおよび第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂは、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における静電容量の変化量に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。ここで、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａおよび第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂは、複数対の電極間の電気的特性値に基づいて粒子状物質量を推定する推定する推定部として機能する。

以下に、総ＰＭ量の推定方法の一例について具体的に説明する。電極間の静電容量Ｃｐは、電極板６２、６３間の媒体の誘電率をε、電極板６２、６３の表面積をＳ、電極板６２、６３間の距離をｄとして以下の数式１で表される。

数式１において、電極板６２、６３の表面積Ｓは一定であり、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、それに伴い静電容量Ｃｐも変化する。電極板６２、６３間の静電容量Ｃｐとフィルタ層６１のＰＭ堆積量との間には略比例関係が成立することが知られている。

セルＣ１に捕集されたＰＭの堆積量が上限値を超えると、電極板６２、６３間の静電容量ＣｐとＰＭ堆積量との比例関係が崩れ、電極板６２、６３間の静電容量Ｃｐの推定精度が低下する。そこで、フィルタ再生制御部４１は、電極板６２、６３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、電気ヒータに通電するフィルタ再生制御を開始する。このフィルタ再生制御は、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４２Ａ、４２Ｂは、再生インターバルＴ_ｎ間（フィルタ再生制御終了から次のフィルタ再生制御開始まで）における静電容量変化量ΔＣｐ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ｍ_{ＰＭＳＵＭ}を推定する。再生インターバルＴ_ｎ間にフィルタ層６１で捕集されるＰＭ量ｍ_ＰＭｎは、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。

ＰＭ量推定演算部４２Ａ、４２Ｂは、数式２から算出される各再生インターバルＴ_ｎ間のＰＭ量ｍ_ＰＭｎを順次積算する以下の数式３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ｍ_{ＰＭＳＵＭ}をリアルタイムに演算する。

なお、ＰＭ量の推定は、上記の手法に限られず、様々な手法を採用することができる。例えば、予め実験等により静電容量ＣｐとＰＭ量ｍ_ＰＭとの関係を求めてマップを作成しておき、このマップを参照することで総ＰＭ量や瞬時のＰＭ量を推定することもできる。

診断部４３は、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａが推定する粒子状物質量および第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂが推定する粒子状物質量との差の大きさを予め定めた閾値と比較し、比較の結果に基づいてＰＭセンサ１０に異常が発生したか否かの診断を行う。ここで、予め定めた閾値は、ＰＭセンサ１０に異常が発生したか否かを診断することができる限りにおいて、その大きさに制限はない。例えば、異常が発生していないＰＭセンサ１０を用いて、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａが推定する粒子状物質量および第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂが推定する粒子状物質量との差の分布を予め実験等に基づき求めておき、当該分布に基づき閾値を予め定める。こうすると、ＰＭセンサ１０は、自己診断機能を備えることができる。

診断部４３は、フィルタ層６１の再生処理に連動させて、ＰＭセンサ１０に異常が発生したか否かを診断する。一例において、診断部４３は、フィルタ層６１が再生された直後に、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａが推定する粒子状物質量および第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂが推定する粒子状物質量との差の大きさを予め定めた閾値と比較する。ここで、フィルタ層６１が再生された直後とは、フィルタ層６１が再生された後の所定の時間後であるが、フィルタ層６１に付着した粒子状物質を無視することができる限りにおいて、その時点に特に制限はない。診断部４３は、フィルタ層６１が再生された直後にＰＭセンサ１０を診断することにより、例えば、粒子状物質の燃焼不良や、電気ヒータの不具合に起因するＰＭセンサ１０の異常が発生したか否かを診断することができる。

一例において、診断部４３は、フィルタ層６１が再生される直前に、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａが推定する粒子状物質量および第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂが推定する粒子状物質量との差の大きさを予め定めた閾値と比較する。ここで、フィルタ層６１が再生される直前の時点は、フィルタ層６１が再生される時点の所定の時間前であるが、フィルタ層６１が再生される時点と近ければ近いほど良い。診断部４３は、フィルタ層６１が再生される直前にＰＭセンサ１０を診断することにより、例えば、粒子状物質の付着の仕方の不均一性や、フィルタ層６１の目詰まり等に起因するＰＭセンサ１０の異常が発生したか否かを診断することができる。

一例において、診断部４３は、フィルタ層６１が再生された直後およびフィルタ層６１が再生される直前の双方において、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａおよび第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂが推定する粒子状物質量の差の大きさを予め定めた閾値と比較する。こうすると、診断部４３は、より正確な診断を行うことができる。

一例において、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａおよび第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂは、同一のＰＭ量推定演算部である。１つのＰＭ量推定演算部が、ある時点において第１のＰＭ量推定演算部４２Ａとして機能し、他のある時点において第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂとして機能する。こうすると、コントロールユニット４０の構成をより簡易にすることができる。

（他の実施形態）
第１の実施形態においては、コントロールユニット４０は、フィルタ再生制御部４１と、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａと、第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂと、診断部４３とを備えているが、これに代えて、フィルタ再生制御部４１と、第１のＰＭ量推定演算部４２Ａと、第２のＰＭ量推定演算部４２Ｂと、診断部４３との少なくとも１つを別体のハードウェアに設けてもよい。

第１の実施形態においては、ＰＭセンサ１０は、第１の電極板６２および第２の電極板６３間の静電容量に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量を推定している。これに代えて、ＰＭセンサ１０は、第１の電極板６２および第２の電極板６３間の電気抵抗値などの他の電気的特性値の変化に基づいて、エンジン１００から排出される排気ガス中の総ＰＭ量を推定してもよい。

第１の電極板６２の少なくとも１つが第１の導電線６２Ａに接続されており、第１の電極板６２のその他の少なくとも１つが第３の導電線６２Ｂに接続されている限りにおいて、第１の電極板６２とコントロールユニット４０との接続の仕方は特に限定されない。また、第２の電極板６３の少なくとも１つが第２の導電線６３Ａに接続されており、第１の電極板６３のその他の少なくとも１つが第４の導電線６３Ｂに接続されている限りにおいて、第１の電極板６３とコントロールユニット４０との接続の仕方は特に限定されない。したがって、接続の仕方は、図３Ａにおいて示されたものに限定されない。

本開示に係るＰＭ（粒子状物質）センサは、ディーゼルエンジンを搭載した車両において使用するのに好適である。

１０ ＰＭセンサ
１１ ケース部材
１１Ａ 内側ケース部
１１Ｂ 外側ケース部
１２ 導入口
１３ 導出口
１４ 通過口
１５ 流路
２０ 台座部
２１ 雄ネジ部
２２ ナット部
４０ コントロールユニット
４１ フィルタ再生制御部
４２Ａ 第１のＰＭ量推定演算部
４２Ｂ 第２のＰＭ量推定演算部
４３ 診断部
６０ センサ部
６１ フィルタ層
６２ 第１の電極板
６２Ａ 第１の導電線
６２Ｂ 第３の導電線
６３ 第２の電極板
６３Ａ 第２の導電線
６３Ｂ 第４の導電線

Claims (4)

1. 排気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と、
   前記セルを挟んで対向配置される複数対の電極と、
   前記複数対の電極間の電気的特性値に基づいて粒子状物質量を推定する推定部と、
   前記複数対の電極間の前記粒子状物質量の差の大きさと予め定めた閾値との比較を行い、該比較の結果に基づいて異常が発生したか否かの診断を行う診断部と、
   を備え、
   前記診断部は、前記フィルタ部材の再生処理に連動させて前記診断を実行するセンサ。
2. 前記診断部は、前記フィルタ部材の再生処理の実行直前に前記診断を実行する請求項１に記載のセンサ。
3. 前記診断部は、前記フィルタ部材の再生処理の実行直後に前記診断を実行する請求項１に記載のセンサ。
4. 前記電気的特性値は静電容量である請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。

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