JP2017191054A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭの量を精度良く測定することが可能なセンサを提供する。【解決手段】センサは、排気ガスが流れ込む筐体と、筐体内の所定領域に配置され、筐体内を移動する前記排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数の捕集部と、筐体に流れ込む排気ガスを所定領域において拡散する拡散部３００と、を備える。前記筐体は、前記排気ガスが流れ込む複数の通過口１４を有し、前記拡散部３００は、前記複数の通過口１４のそれぞれから流れ込んだ前記排気ガスを、前記筐体内で互いに衝突させるように移動させる。【選択図】図３

Description

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、内燃機関の排気系に設けられ、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、静電容量型ＰＭセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。静電容量型ＰＭセンサは、対向配置された一対の電極の間に堆積するＰＭにより電極間の静電容量が変化することを利用してＰＭの量を測定する。

特開２０１１−８９７９１号公報

ところで、静電容量型ＰＭセンサにおける一対の電極の間にはＰＭを堆積させるためのセルが設けられているが、ＰＭの量をより精度良く測定するために当該セルを複数設ける場合がある。

しかしながら、複数のセル内に入り込む排気ガスの量がばらついてしまうと、セル毎にＰＭの量がばらつくので、ＰＭの量の測定精度向上に一定の限界があった。

本発明の目的は、ＰＭの量の測定精度を向上させることができるセンサを提供することである。

本発明に係るセンサは、
排気ガスが流れ込む筐体と、
前記筐体内の所定領域に配置され、前記筐体内を移動する前記排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数の捕集部と、
前記筐体に流れ込む前記排気ガスを前記所定領域において拡散する拡散部と、
を備える。

本発明によれば、ＰＭの量の測定精度を向上させることができる。

本実施の形態のＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系を示す概略構成図である。 本実施の形態のＰＭセンサを示す部分断面図である。 図２におけるＡ線で内側ケース部を切った断面図である。 ファンを通過口側から見た図である。 羽部材の拡大図である。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態の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、ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）２２０、ＮＯ_Ｘ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施の形態に係るセンサの一例としてのＰＭセンサ１０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に設けられる。

次に、図２に基づいて、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。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に収容されたセンサ部３０とを備える。

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とを備えている。内側ケース部１１Ａは、本発明の「筐体」に対応する。

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、その軸方向長さを外側ケース１１Ｂよりも長く形成されている。内側ケース部１１Ａの軸方向長さは、内側ケース部１１Ａの底部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径と略同一の長さとされている。なお、内側ケース部１１Ａの底部は、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出しているのが好ましいが、これに限定されず、例えば、軸中心ＣＬ近傍まで突出していなくても良い。また、本実施の形態では内側ケース部１１Ａ及び外側ケース部１１Ｂの軸方向断面形状は円形状であるが、内側ケース部１１Ａ及び外側ケース部１１Ｂの軸方向断面形状は、排気管１１０の流路方向（図２における左右方向）を長軸とする楕円形状や、排気管１１０の流路方向に頂点を有するひし形形状、多角形形状等、様々な軸方向断面形状とすることができる。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基端側とする。

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の先端部により区画された円環状の導入口１２が設けられている。これにより、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。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３０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。

また、内側ケース部１１Ａには、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを拡散するための拡散部３００が設けられている。拡散部３００の詳細については後述する。

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。雄ネジ部２１がボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合されることで、ケース部材１１が排気管１１０に対して固定される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に設けられている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線等を挿通させる貫通穴（不図示）が形成されている。なお、ケース部材１１を排気管１１０に対して固定する方法については上述のネジ係合には限定されず、例えば、ケース部材１１の基端側に排気管１１０の外形に沿った形状のフランジを形成し、該フランジを排気管１１０の外周面にボルト等を用いて固定することによってケース部材１１を排気管１１０に対して固定するようにしても良い。

センサ部３０は、捕集部材３１と、一対の電極板３２と、コントロールユニット４０と、図示しない電気ヒータとを備えている。

捕集部材３１は、内側ケース部１１Ａ内における通過口１４に相当する部分よりも図示下側の所定領域に配置され、例えば多孔質セラミックスの隔壁により囲まれた格子状の排気流路をなす複数のセルＣを有している。複数のセルＣは、互いに隣接して配置されている。セルＣは、本発明の「捕集部」に対応する。

セルＣの長手方向すなわち流路方向は、センサ部３０が収容される内側ケース部１１Ａの長手方向と一致しており、排気ガスが導入口１２から導出口１３に至る過程で、セルＣの隔壁表面や細孔に排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。

一対の電極板３２は、例えば平板状の導電性部材であり、セルＣを厚さ方向に挟んで交互に積層される。対向配置される一対の電極板３２の間にセルＣを挟持させることで、セルＣ全体がコンデンサを形成するようにしている。このように、平板状の一対の電極板３２によりセルＣ全体をコンデンサにしたことで、電極表面積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を高めることができる。

電気ヒータは、例えば電熱線であって、通電により発熱してセルＣを加熱することで、セルＣ内に堆積したＰＭを燃焼除去する、いわゆる捕集部材再生を実行する。

コントロールユニット４０は、捕集部材再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２とを各機能要素として備えており、図示しない配線によって一対の電極板３２と接続されている。

捕集部材再生制御部４１は、静電容量検出回路（不図示）によって検出される一対の電極板３２の間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータに通電する捕集部材再生制御を実行する。

一対の電極板３２の間の静電容量Ｃｐは、一対の電極板３２との間の媒体の誘電率をε、各電極板３２の表面積をＳ、各電極板３２の間の距離をｄとして以下の数式１で表される。

数式１において、各電極板３２の表面積Ｓは一定であり、セルＣ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。各電極板３２の間の静電容量Ｃｐと捕集部材３１のＰＭの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Ｃに捕集されたＰＭの堆積量が上限値を超えると、一対の電極板３２の間の静電容量ＣｐとＰＭの堆積量との比例関係が崩れ、一対の電極板３２との間の静電容量Ｃｐの推定精度が低下する。そこで、捕集部材再生制御部４１は、一対の電極板３２との間の静電容量ＣｐがＰＭの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捕集部材再生制御を開始する。この捕集部材再生制御は、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４２は、再生インターバルＴ_ｎ間（捕集部材再生制御終了から次の捕集部材再生制御開始まで）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間に捕集部材で捕集される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４２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量を推定することができる。

ところで、排気管１１０内を流れる排気ガスは、流路１５に入り込み、複数の通過口１４を介して内側ケース部１１Ａ内に流れ込む。例えば排気ガスの流速が比較的速い場合、内側ケース部１１Ａの全周に形成された複数の通過口１４から流れ込む排気ガスが、内側ケース部１１Ａ内の中心線付近で勢いよく衝突し合う。これにより、排気ガスが内側ケース部１１Ａ内で拡散されて均一に混ざり合うので、各セルＣ内に均等に排気ガスが流れ込み、ひいてはＰＭの量の測定精度を向上させることができる。

しかし、排気ガスの流速が比較的遅い場合、複数の通過口１４を介して内側ケース部１１Ａ内に流れ込んだ排気ガスは、内側ケース部１１Ａ内を緩やかに流れるので、内側ケース部１１Ａ内の中心線付近で衝突しない、または、比較的弱い力で衝突する。そのため、排気ガスは、内側ケース部１１Ａ内で拡散されにくくなり、各セルＣ内に均等に流れ込みにくくなる。

そこで、本実施の形態では、拡散部３００により内側ケース部１１Ａ内の排気ガスを通過口１４より図示下側の所定領域で拡散する。これにより、排気ガスが各セルＣ内に均等に流れ込み、ひいてはＰＭの量の測定精度を向上させることができる。以下、拡散部３００の詳細について説明する。図３Ａは、図２におけるＡ線で内側ケース部１１Ａを切った断面図において排気ガスが通過口１４より流れ込む様子を示す図ある。図３Ｂは、図２におけるＡ線で内側ケース部１１Ａを切った断面図において排気ガスが所定領域で拡散する様子を示す図である。

拡散部３００は、内側ケース部１１Ａ内における排気ガスの移動方向（図２、図３Ａおよび図３Ｂにおける上から下に向かう方向）において、センサ部３０よりも上流側に配置されている。図３Ａに示すように、拡散部３００は、各通過口１４にそれぞれ設けられており、内側ケース部１１Ａの内側に突出する突出壁３０１を有している。

突出壁３０１は、内側ケース部１１Ａにおける通過口１４の上縁１４Ａの位置から、内側ケース部１１Ａの内部に向かうにつれ下に位置するように傾斜している。このように突出壁３０１が形成されることで、流路１５から通過口１４を介して内側ケース部１１Ａに流れ込む排気ガスが矢印Ｘの方向に移動して内側ケース部１１Ａの通過口１４より下側の所定領域における中心線Ｌ付近に集められる。つまり、拡散部３００は、複数の通過口１４のそれぞれから流れ込んだ排気ガスを内側ケース部１１Ａ内で互いに衝突させるように移動させる。そして、図３Ｂに示すように、各通過口１４から入り込んだ排気ガスが内側ケース部１１Ａの中心線Ｌ付近で衝突することで、内側ケース部１１Ａ内の排気ガスが中心線Ｌ付近から矢印Ｙのように拡散される。拡散された排気ガスは、所定領域に配置されたセンサ部３０の各セルＣ（図２参照）に均等に流れ込む。これにより、ＰＭの量の測定精度を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、拡散部３００として突出壁３０１を有する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、拡散部３００は、下に向かうほど先細りとなるような円錐状の部材であっても良い。これによれば、内側ケース部１１Ａの中心線Ｌ付近に排気ガスを集めやすくなり、効果的に拡散することができる。また、拡散部３００は、網目状の部材であっても良い。また、拡散部３００は、扇風機のような羽部材を内側ケース部１１Ａ内の適宜な位置に設けて排気ガスの拡散性を向上させるような構成としても良い。

また、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、拡散部はファン３１０であっても良い。ファン３１０は、円柱状の内側ケース部１１Ａ内に取り付けられ、円の中心から周方向に延びる複数の羽部材３１１を有している。羽部材３１１は、波状に形成されている。内側ケース部１１Ａ内に流れ込んだ排気ガスは、ファン３１０部分を通過することで拡散される。なお、ファン３１０は、羽部材３１１を回動させない構成であっても良いし、羽部材３１１を回動させる構成であっても良い。

その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、ＰＭの量の測定精度を向上させることが可能なセンサとして有用である。

１０ ＰＭセンサ
１１Ａ 内側ケース部
３０ センサ部
３００ 拡散部

Claims (4)

1. 排気ガスが流れ込む筐体と、
   前記筐体内の所定領域に配置され、前記筐体内を移動する前記排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数の捕集部と、
   前記筐体に流れ込む前記排気ガスを前記所定領域において拡散する拡散部と、
   を備えるセンサ。
2. 前記筐体は、前記排気ガスが流れ込む複数の通過口を有し、
   前記拡散部は、前記複数の通過口のそれぞれから流れ込んだ前記排気ガスを、前記筐体内で互いに衝突させるように移動させる、
   請求項１に記載のセンサ。
3. 前記拡散部は、複数の羽部材を有するファンである、
   請求項１に記載のセンサ。
4. 前記拡散部は、前記排気ガスの移動方向において前記複数の捕集部よりも上流側に配置されている、
   請求項１〜３の何れか１項に記載のセンサ。

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