センサ制御装置
【課題】内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）の粒子数を正確に求める。
【解決手段】ＰＭセンサ１９は、被付着部に設けられた一対の対向電極からなる複数のＰＭ検出部３４〜３６を有し、各ＰＭ検出部３４〜３６で一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する。複数のＰＭ検出部３４〜３６は、付着するＰＭの大きさの範囲が各々異なるものである。マイコン４５は、複数のＰＭ検出部３４〜３６ごとに平均粒子質量を設定する。また、マイコン４５は、複数のＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【解決手段】ＰＭセンサ１９は、被付着部に設けられた一対の対向電極からなる複数のＰＭ検出部３４〜３６を有し、各ＰＭ検出部３４〜３６で一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する。複数のＰＭ検出部３４〜３６は、付着するＰＭの大きさの範囲が各々異なるものである。マイコン４５は、複数のＰＭ検出部３４〜３６ごとに平均粒子質量を設定する。また、マイコン４５は、複数のＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の量を算出するセンサ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンから排出されるＰＭの量を検出するＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）が各種提案されている。例えば、特許文献１のＰＭセンサでは、絶縁基板上に一対の対向電極を設けておき、その一対の対向電極間にＰＭが付着すると電極間抵抗が変化することを利用し、電極間抵抗に応じた検出信号を出力する構成としている。そして、ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ量を算出することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１９６４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ量が算出される場合、そのＰＭ量は質量として算出されるが、エンジンから排出されるＰＭ量を評価するには、質量による評価だけでなく、粒子数による評価が考えられている。かかる場合、ＰＭセンサに付着する粒子状物質の平均粒子質量をあらかじめ定めておき、ＰＭ量（質量）を平均粒子質量によって除算演算することにより、ＰＭの粒子数を算出することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、排気中に含まれるＰＭには、大きさ（質量や粒径）が大小異なるものが含まれており、また、エンジン運転状態等によって大きさの分布が異なるものになると考えられる。そのため、ＰＭ粒子数を算出する場合にその算出精度を確保することは困難であり、ゆえにＰＭ粒子数を正確に把握できないという問題があると考えられる。
【０００６】
本発明は、内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）の粒子数を正確に求めることができるセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【０００８】
本発明のセンサ制御装置は、内燃機関から排出される排気中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に設けられた一対の対向電極からなる検出部とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用されるものである。そして、請求項１に記載の発明では、前記粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出する付着量算出手段と、前記被付着部に付着した粒子状物質の粒子１個当たりの平均粒子質量として各々異なる複数の平均粒子質量を設定可能であり、そのうちいずれかの平均粒子質量を設定する粒子質量設定手段と、前記付着量算出手段により算出した前記粒子状物質の付着量と、前記粒子質量設定手段により設定した平均粒子質量とに基づいて、前記粒子状物質の粒子数を算出する粒子数算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
要するに、粒子状物質の粒子数の算出に用いる平均粒子質量が１つでありかつそれが固定されている場合、粒子数の算出精度が低くなることが懸念される。つまり、粒子状物質の粒子の大きさにはばらつきがあり、さらに粒子状物質は内燃機関の運転状態等に応じて大小変化することを考えると、算出精度を確保するのが困難になる。この点、本発明によれば、被付着部に付着した粒子状物質の平均粒子質量について、複数の平均粒子質量からの設定が可能となるため、平均粒子質量の使い分けが可能となり、粒子数の算出精度を高めることができる。その結果、内燃機関から排出される粒子状物質の粒子数を正確に求めることが可能となる。
【００１０】
なお、粒子状物質の粒子１個当たりの質量と粒径とはほぼ比例関係にあり、粒子状物質の大きさの指標として、質量に代えて粒径を採用することも可能である。つまり、粒子状物質の粒子１個当たりの平均の大きさとして、平均粒子質量と平均粒径とは同義に扱われてもよい。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、複数の前記検出部における検出結果が各々検出信号として入力されるセンサ制御装置であって、前記複数の検出部は、付着する粒子状物質の大きさの範囲が各々異なるものであり、前記粒子質量設定手段は、前記複数の検出部ごとに前記平均粒子質量を設定し、前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部ごとの前記粒子状物質の付着量と前記平均粒子質量とに基づいて、前記複数の検出部ごとに前記粒子状物質の粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中の粒子状物質の粒子数を算出する。
【００１２】
上記構成によれば、複数の検出部において、付着する粒子の大きさが各々相違するため、粒子の大きさの範囲を各々限定することができる。したがって、個々の検出部における粒子数の算出精度を高めることができ、ひいては排気中に存在する粒子状物質の個数を精度良く算出することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれる粒子状物質の大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲の粒子状物質について粒子数を算出する。
【００１４】
上記構成によれば、例えば粒子状物質の大きさの全範囲のうち軽小範囲の粒子状物質だけを対象に粒子数を算出したりすることができる。具体的には、複数の検出部の各検出結果のうち、粒子状物質の大きさの範囲が最小となる検出部の検出結果を用いることで、軽小範囲の粒子状物質だけを対象に粒子数を算出する。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、前記粒子質量設定手段は、前記運転状態検出手段により検出した機関運転状態に基づいて前記粒子状物質の平均粒子質量を設定する。
【００１６】
内燃機関の運転状態が変化すると、それに伴い排気中の粒子状物質の大きさの分布が変わると考えられる。上記構成によれば、機関運転状態の変化に伴い粒子状物質の大きさの分布が変化した場合に、それに合わせて平均粒子質量を可変に設定できる。そのため、粒子状物質の粒子数の算出精度を高めることができる。
【００１７】
機関運転状態に基づいて粒子状物質の平均粒子質量を設定する構成として、以下の請求項５，６の構成が考えられる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、前記運転状態として、筒内噴射式内燃機関の燃料噴射手段から噴射される燃料粒径の決定要因となる機関運転状態を検出し、前記燃料粒径が大きくなる機関運転状態では前記燃料粒径が小さくなる機関運転状態に比べて前記平均粒子質量を大きい値に設定する。
【００１９】
つまり、機関運転状態に応じて燃料粒径（燃料噴射手段から噴射される燃料の粒径）が変わり、その燃料粒径に応じて粒子状物質の大きさ（質量や粒径）が変わると考えられる。この点、請求項５の発明によれば、都度の機関運転状態を好適に反映しつつ、高精度に粒子状物質の粒子数を算出することができる。
【００２０】
具体的には、燃料噴射手段に供給される燃料の圧力（燃圧）が高いほど、燃料粒径が小さくなり、逆に燃圧が低いほど、燃料粒径が大きくなる。それを考慮し、燃圧が低いほど、粒子状物質の平均粒子質量として大きい粒子質量を設定するとよい。また、内燃機関の水温が高いほど、燃料粒径が小さくなり、逆に水温が低いほど、燃料粒径が大きくなる。それを考慮し、水温が低いほど、粒子状物質の平均粒子質量として大きい粒子質量を設定するとよい。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明では、前記運転状態として前記内燃機関の回転速度を検出し、前記検出した内燃機関の回転速度が高いほど、前記平均粒子質量を大きい値に設定する。
【００２２】
内燃機関の回転速度が高低相違すると内燃機関の燃焼サイクルにおいて燃料噴射終了から着火されて燃焼するまでの「霧化時間」が変わり、それによって粒子状物質の大きさに影響が及ぶと考えられる。例えば内燃機関の回転速度が高い状態ではこの霧化時間が短くなり、粒径の大きい粒子状物質が排気通路に排出される。この点、請求項６の発明によれば、都度の機関回転速度を好適に反映しつつ、高精度に粒子状物質の粒子数を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概要を示す構成図。
【図２】ＰＭセンサのセンサ素子の要部構成を分解して示す分解斜視図。
【図３】ＰＭセンサに関する電気的構成図。
【図４】３つのＰＭ検出部について付着ＰＭの粒径分布を示す図。
【図５】ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャート。
【図６】センサ素子と主要な電気的構成とを示す図。
【図７】ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャート。
【図８】（ａ）は燃圧とＰＭ粒径との関係を示す図、（ｂ）は水温とＰＭ粒径との関係を示す図、（ｃ）はエンジン回転速度とＰＭ粒径との関係を示す図。
【図９】センサ素子の別の構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車載エンジンを備える車両エンジンシステムにおいて、同エンジンから排出される排気中のＰＭ量（導電性粒子状物質の量）を監視するものである。特に、エンジン排気管にＰＭセンサを設け、そのＰＭセンサでのＰＭ付着量に基づいて排気中のＰＭ量を監視するものとしている。図１は、本システムの概略構成を示す構成図である。
【００２５】
図１において、エンジン１１は直噴式ガソリンエンジンであり、同エンジン１１には、同エンジン１１の運転に関わるアクチュエータとして燃料噴射弁１２や点火装置１３等が設けられている。燃料噴射弁１２には燃料配管１４を介して燃料供給部１５が接続されており、燃料噴射弁１２は燃料供給部１５から供給される燃料をエンジン燃焼室内に直接噴射する。燃料供給部１５は、燃料を高圧化して燃料噴射弁１２に供給する周知の高圧燃料供給手段であり、燃料タンクから供給される燃料を高圧化する高圧ポンプや、この高圧ポンプから吐出される高圧燃料が導入される蓄圧部としてのデリバリパイプ等を備えている。
【００２６】
エンジン１１の排気管１６には排気浄化装置としての三元触媒１７が設けられており、その三元触媒１７の上流側にはＡ／Ｆセンサ１８が設けられ、下流側には粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサ１９が設けられている。その他、本システムでは、エンジン回転速度を検出するための回転センサ２１や、吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ２２、燃料供給部１５における燃料圧力（デリバリパイプ内の燃圧）を検出するための燃圧センサ２３、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサ２４等が設けられている。
【００２７】
ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１１及びその周辺装置の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。また、ＥＣＵ２５は、燃料供給部１５における燃料圧力（デリバリパイプ内の燃圧）を制御する燃圧制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ２５は、都度のエンジン運転状態（エンジン回転速度や吸気管圧力）に基づいて目標燃圧を設定するとともに、燃圧センサ２３により検出した実燃圧が目標燃圧に一致するように燃圧フィードバック制御を実施する。
【００２８】
さらに、ＥＣＵ２５は、ＰＭセンサ１９の検出信号に基づいてエンジン１１の実際のＰＭ排出量（実ＰＭ排出量）を算出し、その実ＰＭ排出量に基づいてエンジン１１の燃焼状態を診断する。具体的には、実ＰＭ排出量が所定の異常判定値を超えていれば、ＰＭ排出過多の状態であり、エンジン異常であると判定する。
【００２９】
その他、ＥＣＵ２５は、ＰＭセンサ１９の検出結果から算出される実ＰＭ排出量に基づいて、エンジン１１の制御態様を可変に制御する構成であってもよい。例えば、実ＰＭ排出量に基づいて燃料噴射量を制御したり、燃料噴射時期を制御したり、点火時期を制御したりすることが可能である。
【００３０】
次に、ＰＭセンサ１９の構成、及びそのＰＭセンサ１９に関する電気的構成を図２及び図３を用いて説明する。図２は、ＰＭセンサ１９を構成するセンサ素子３１の要部構成を分解して示す分解斜視図であり、図３は、ＰＭセンサ１９に関する電気的構成図である。
【００３１】
図２に示すように、センサ素子３１は、長尺板状をなす２枚の絶縁基板３２，３３を有しており、一方の絶縁基板３２にはＰＭ量を検出するための３つのＰＭ検出部３４，３５，３６が設けられ、他方の絶縁基板３３にはセンサ素子３１を加熱するためのヒータ部３７が設けられている。センサ素子３１は、絶縁基板３２，３３が二層に積層されることで構成されている。絶縁基板３２が被付着部に相当する。なお本実施形態では、３つのＰＭ検出部を設ける構成とするが、その個数は複数個であれば任意である。
【００３２】
ＰＭ検出部３４〜３６はそれぞれ一対の検出電極を有するものであり、絶縁基板３２には、ＰＭ検出部３４として一対の検出電極３４ａ，３４ｂが設けられ、ＰＭ検出部３５として一対の検出電極３５ａ，３５ｂが設けられ、ＰＭ検出部３６として一対の検出電極３６ａ，３６ｂが設けられている。これらＰＭ検出部３４〜３６の各検出電極は、他方の絶縁基板３３（ヒータ用基板）とは反対側の基板表面において互いに離間して設けられており、直線状をなす１つ又は２つの直線電極同士が互い違いに所定間隔をあけて対向配置されて構成されている。各ＰＭ検出部３４〜３６における検出電極の対向間隔はいずれも同一である。また、ヒータ部３７は例えば電熱線からなる発熱体により構成されている。
【００３３】
ただし、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極の形状は上記に限定されず、複数の櫛歯電極同士が互い違いに設けられるものや、曲線状をなす形状で設けられているもの、各１本の線からなる一対の電極部が所定距離を隔てて平行に対向配置されているものであってもよい。
【００３４】
なお、図示は省略するが、ＰＭセンサ１９は、センサ素子３１を保持するための保持部を有しており、センサ素子３１はその一端側が保持部により保持された状態で排気管に固定されるようになっている。この場合、少なくともＰＭ検出部３４〜３６及びヒータ部３７を含む部位が排気管内に位置するように、かつセンサ素子３１において絶縁基板３２（ＰＭ被付着部）が排気上流側を向くようにして、ＰＭセンサ１９が排気管に取り付けられる構成となっている。これにより、ＰＭを含む排気が排気管内を流れる際、そのＰＭが絶縁基板３２において各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極及びその周辺に付着し堆積する。また、ＰＭセンサ１９は、センサ素子３１の突出部分を覆う保護カバーを有している。
【００３５】
上記構成のＰＭセンサ１９は、排気中のＰＭがセンサ素子３１の絶縁基板３２に付着し堆積すると、それによりＰＭ検出部３４〜３６の各抵抗値（すなわち各一対の検出電極間の抵抗値）が変化すること、及びその抵抗値の変化がＰＭ付着量に対応していることから、その抵抗値の変化を利用してＰＭ量を検出するものである。
【００３６】
図３に示すように、ＰＭセンサ１９に関する電気的構成として、ＰＭセンサ１９のＰＭ検出部３４〜３６の一端側には電源装置４１が接続され、他端側にはそれぞれシャント抵抗４２，４３，４４が接続されている。電源装置４１は、車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧回路により構成されており、例えば、ＰＭ検出部３４，３５，３６に対してそれぞれ５０Ｖ、４０Ｖ、３０Ｖの電圧を印加するものとなっている。各ＰＭ検出部３４〜３６では、印加電圧が相違することから各々に電極周囲の電界強度が異なり、その電界強度の違いに応じて、各ＰＭ検出部３４〜３６で捕集されるＰＭ（付着ＰＭ）の最大粒径が各々異なるものとなる。つまり、排気中には粒径が大小異なる様々なＰＭが混在しているが、粒径が比較的大きいＰＭは質量が大きいため、電界強度が大きいＰＭ検出部でないと捕集されない。これに対し、粒径が比較的小さいＰＭは質量が小さいため、電界強度が小さいＰＭ検出部でも捕集される。
【００３７】
なお、排気中に存在するＰＭが帯電していれば、各ＰＭ検出部３４〜３６への捕集効率が高められると考えられる。つまり、ＰＭが帯電していることにより、ＰＭが各ＰＭ検出部３４〜３６に引き寄せられる力が増し、ＰＭが効率よく捕集される。排気管内に放電手段を有してなる荷電部を設け、その荷電部を稼働させることによりＰＭを帯電させる構成であってもよい。具体的には、荷電部においてコロナ放電によりイオンを生じさせ、そのイオンをＰＭに付着させることでＰＭを帯電させる。そして、その帯電ＰＭを電界の作用によって各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極において分離補集する。
【００３８】
また、図３に示す電気回路では、ＰＭ検出部３４〜３６とシャント抵抗４２〜４４とによりそれぞれ分圧回路が構成されており、それらの中間点電圧がＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１，Ｖｐｍ２，Ｖｐｍ３としてＥＣＵ２５に入力されるようになっている。つまり、各ＰＭ検出部３４〜３６ではＰＭ付着量に応じて抵抗値（電極間抵抗値）が変化し、その抵抗値の変化に応じてＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３が変化する。そして、そのＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３がＡ／Ｄ変換器（図示略）を介してマイコン４５に入力される。マイコン４５は、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３に応じてＰＭ付着量を算出する。
【００３９】
また、ＰＭセンサ１９のヒータ部３７には、ヒータ電源４７が接続されている。ヒータ電源４７は例えば車載バッテリであり、車載バッテリからの給電によりヒータ部３７が加熱される。この場合、ヒータ部３７のローサイドにはスイッチング素子としてのトランジスタ４８が接続されており、マイコン４５によりトランジスタ４８がオン／オフされることでヒータ部３７の加熱制御が行われる。
【００４０】
絶縁基板３２上にＰＭが付着した状態でヒータ部３７の通電を開始すると、付着ＰＭの温度が上昇し、それに伴い付着ＰＭが強制的に燃焼される。こうした強制燃焼により、絶縁基板３２に付着したＰＭが燃焼除去される。マイコン４５は、例えば、エンジン始動時や運転終了時に、又はＰＭ付着量が所定量になったと判定された時に、ＰＭの強制燃焼要求が生じたとしてヒータ部３７による加熱制御を実施する。なお、ＰＭセンサ１９のＰＭ強制燃焼の処理は、ＰＭセンサ１９においてＰＭ付着量の検出機能を再生するものであり、その意味からセンサ再生処理とも称される。
【００４１】
上述したように各ＰＭ検出部３４〜３６における印加電圧が相違する構成では、ＰＭ検出部ごとにＰＭ粒径の分布が異なり、その粒径分布を図４に示す。図４は、横軸をＰＭ粒径［μｍ］、縦軸を粒子数［個］として、３つのＰＭ検出部３４〜３６について捕集されるＰＭ（付着ＰＭ）の粒径分布を示すものである。
【００４２】
図４に示すように、各ＰＭ検出部３４〜３６では、その印加電圧が高いほど付着ＰＭの粒径範囲が上限拡大側に拡がり、すなわち捕集可能な最大粒径が大きくなり、それに伴い付着ＰＭの粒径の平均値（平均粒径）が、印加電圧が高いＰＭ検出部であるほど大きくなっている。具体的には、印加電圧が５０ＶのＰＭ検出部３４では、粒径が０〜０．５μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は２．５μｍである。また、印加電圧が４０ＶのＰＭ検出部３５では、粒径が０〜０．４μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は２μｍである。印加電圧が３０ＶのＰＭ検出部３６では、粒径が０〜０．３μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は１．５μｍである。本実施形態では、ＰＭ検出部３４の粒径範囲（０〜０．５μｍ）が、ＰＭの大きさの全範囲に相当する。
【００４３】
本実施形態では、ＰＭ検出部３４〜３６ごとに、付着するＰＭの大きさ（粒径範囲）が異なることに着目し、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ１個当たりの平均粒子質量を設定するとともに、それらの平均粒子質量を用いてＰＭ粒子数を算出することとしている。なお、ＰＭの粒子質量は、ＰＭの粒径に概ね比例するものであり、上述のごとく各ＰＭ検出部３４〜３６でＰＭの平均粒径が異なることから、それと同様にＰＭの平均粒子質量も異なるものとなっている。
【００４４】
具体的には、ＰＭ検出部３４でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ａ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ａ［ｍｇ］とし、ＰＭ検出部３５でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ｂ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ｂ［ｍｇ］とし、ＰＭ検出部３６でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ｃ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ｃ［ｍｇ］とすると、ＰＭ検出部３４〜３６に付着したそれぞれのＰＭ粒子数は、Ｍａｓｓ＿Ａ／Ｍｅａｎ＿Ａ、Ｍａｓｓ＿Ｂ／Ｍｅａｎ＿Ｂ、Ｍａｓｓ＿Ｃ／Ｍｅａｎ＿Ｃとして求められ、それらの総和により排気中のＰＭ粒子数が算出される。
【００４５】
なお、各ＰＭ検出部３４〜３６を比べると、電極長さが相違することによりＰＭ付着面の面積が各々異なる（図２参照）。それゆえに、各ＰＭ検出部３４〜３６の面積比を加味して排気中のＰＭ粒子数を算出するようにしてもよい。例えば、各ＰＭ検出部３４〜３６について同一面積で換算してＰＭ粒子数を算出し、そのＰＭ粒子数の総和により排気中のＰＭ粒子数を算出する構成であってもよい。
【００４６】
ちなみに、排気中のＰＭ付着量の算出に関して補足すると、基本的には３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち１つのＰＭ検出部の検出結果に基づいてＰＭ付着量が算出される。この場合、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち、ＰＭ検出部３５，３６は捕集されるＰＭの大きさが限定されるが、ＰＭ検出部３４は、捕集されるＰＭの大きさが限定されず、どの大きさのＰＭも捕集可能となっている。したがって、排気中のＰＭ量を算出するには、ＰＭ検出部３４の検出結果に基づいて行われるのが望ましい。ただし、３つのＰＭ検出部３４〜３６の検出結果に基づいてＰＭ付着量を算出してもよい。
【００４７】
図５は、ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ２５内のマイコン４５により所定周期で繰り返し実行される。
【００４８】
図５において、ステップＳ１１では、粒子数算出の実行条件の成否を判定する。例えば、実行条件として、ＰＭセンサ１９に異常が生じていないか否かを判定し、異常無しの場合に実行条件が成立しているとする。ステップＳ１１がＹＥＳの場合、ステップＳ１２で、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３に基づいて、各ＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ付着量を算出する。また、ステップＳ１３では、各ＰＭ検出部３４〜３６における平均粒子質量を設定する。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６の平均粒子質量は、各ＰＭ検出部３４〜３６の印加電圧に対応させて、それぞれ大小異なるように設定される。
【００４９】
その後、ステップＳ１４では、各ＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいて、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ粒子数を算出するとともに、それらＰＭ検出部３４〜３６ごとのＰＭ粒子数に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【００５０】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５１】
ＰＭセンサ１９に、各々付着するＰＭの大きさの範囲（粒径範囲）が相違する３つのＰＭ検出部３４〜３６を設け、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ付着量を算出するとともに平均粒子質量を設定し、さらにそれらＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ検出部３４〜３６ごとのＰＭ粒子数を算出する構成とした。そして、それらの各算出結果に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出するようにした。かかる構成によれば、複数のＰＭ検出部３４〜３６において、付着するＰＭ粒子の大きさが各々相違するため、ＰＭ粒子の大きさの範囲を各々限定することができる。したがって、個々のＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ粒子数の算出精度を高めることができ、ひいては排気中に存在するＰＭの個数を精度良く算出することができる。
【００５２】
ここで、ＰＭセンサがＰＭ検出部を１つしか有さず、しかも平均粒子質量が１つでありかつ固定されている場合、排気中に含まれるＰＭの大きさにはばらつきがあるため、粒子数の算出精度が低くなることが懸念される。この点、本実施形態の構成によれば、ＰＭ検出部３４〜３６ごとの複数の平均粒子質量が設定されるため、平均粒子質量の使い分けが可能となり、粒子数の算出精度を高めることができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について第１の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、ＰＭセンサが１つのＰＭ検出部を有する構成となっており、そのＰＭ検出部の検出結果（ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ）に基づいてＰＭの粒子数を算出する。また、粒子数の算出に際し、ＰＭの平均粒子質量を、エンジン運転状態に基づいて設定することを特徴とするものである。つまり、排気中に含まれるＰＭの大きさは都度のエンジン運転状態に応じて変わりうるものである。そこで本実施形態では、都度のエンジン運転状態に応じてＰＭの大きさが変わることを考慮して平均粒子質量を設定し、それによりＰＭ粒子数の算出精度を高めることとしている。
【００５４】
図６は、本実施形態におけるＰＭセンサ１９を構成するセンサ素子５１と、主要な電気的構成とを示す図である。
【００５５】
図６に示すように、センサ素子５１は、長尺板状をなす２枚の絶縁基板５２，５３を有しており、一方の絶縁基板５２にはＰＭ検出部５４が設けられ、他方の絶縁基板５３にはヒータ部５５が設けられている。絶縁基板５２が被付着部に相当する。絶縁基板５２には、他方の絶縁基板５３とは反対側の基板表面に、互いに離間して設けられる一対の検出電極５４ａ，５４ｂが設けられており、この一対の検出電極５４ａ，５４ｂによりＰＭ検出部５４が構成されている。検出電極５４ａ，５４ｂは、各々複数の櫛歯を有する櫛歯形状をなしており、各検出電極５４ａ，５４ｂの櫛歯同士が互い違いとなるようして所定間隔をあけて対向配置されている。
【００５６】
ＰＭ検出部５４の一方の検出電極５４ａには電源装置４１が接続され、他方の検出電極５４ｂにはシャント抵抗４２が接続されている。これら電源装置４１やシャント抵抗４２については既述済みである（図２参照）。この場合、ＰＭ検出部５４とシャント抵抗４２との間の中間点電圧がＰＭ検出電圧Ｖｐｍ（センサ検出値）としてマイコン４５に入力されるようになっている。
【００５７】
図７は、本実施形態におけるＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４５により所定周期で繰り返し実行される。
【００５８】
図７において、ステップＳ２１では、粒子数算出の実行条件の成否を判定する（図５のＳ１１と同様）。その後、ステップＳ２２では、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍに基づいてＰＭ検出部５４におけるＰＭ付着量を算出する。また、ステップＳ２３では、エンジン運転状態を表す所定の運転状態パラメータを取得する。本実施形態では、運転状態パラメータとして、燃圧センサ２３の検出結果から算出される燃圧と、水温センサ２４の検出結果から算出される水温と、回転センサ２１の検出結果から算出されるエンジン回転速度とを取得することとしている。
【００５９】
その後、ステップＳ２４では、ＰＭの平均粒子質量を、今現在の運転状態パラメータに基づいて設定する。このとき、図８に示す関係に基づいてＰＭの平均粒子質量を設定する。より具体的には、図８において、（ａ）は燃圧とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図であり、（ｂ）は水温とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図である。これら図８（ａ）、（ｂ）では、燃圧が高いほどＰＭ粒径が小さくなり、また、水温が高いほどＰＭ粒径が小さくなるという関係が示されている。燃圧や水温が、燃料粒径の決定要因となる運転状態パラメータに相当する。
【００６０】
要するに、燃圧が比較的高い場合、又は水温が比較的高い場合には、燃料噴射弁１２から噴射される燃料粒径が小さくなり、逆に燃圧が比較的低い場合、又は水温が比較的低い場合には、燃料噴射弁１２から噴射される燃料粒径が大きくなる。この場合、燃料粒径が小さいほど、排気中のＰＭが小さくなる傾向にあり、その関係に基づいて図８（ａ），（ｂ）が規定されている。
【００６１】
また、図８（ｃ）はエンジン回転速度とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図である。この図８（ｃ）では、エンジン回転速度が高いほどＰＭ粒径が大きくなるという関係が示されている。エンジン回転速度が高低相違するとエンジン燃焼サイクルにおいて燃料噴射終了から着火されて燃焼するまでの「霧化時間」が変わり、それによってもＰＭの大きさに影響が及ぶと考えられる。例えばエンジン回転速度が高い状態では霧化時間が短くなり、ＰＭ粒径の比較的大きいＰＭが排気管に排出される。
【００６２】
なお、上記３つの運転状態パラメータを全て用いてＰＭの平均粒子質量を設定する以外に、いずれか１つのパラメータを用いる構成や、２つのパラメータを用いる構成であってもよい。
【００６３】
その後、ステップＳ２５では、ＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【００６４】
以上詳述した第２の実施形態によれば、都度のエンジン運転状態に基づいてＰＭの平均粒子質量を設定する構成とした。そのため、エンジン運転状態の変化に伴いＰＭの大きさが変化した場合に、それに合わせて平均粒子質量を可変に設定でき、結果としてＰＭ粒子数の算出精度を高めることができる。
【００６５】
具体的には、燃圧や水温を燃料粒径の決定要因となる運転状態パラメータとして定めておき、燃料粒径が大きくなるエンジン運転状態では燃料粒径が小さくなるエンジン運転状態に比べて平均粒子質量を大きい値に設定する構成とした。これにより、エンジン燃焼室内での燃料粒径（燃料噴射弁１２からの噴射燃料の粒径）が大小変化する場合に、その燃料粒径の変化に起因するＰＭの大きさ変化を加味しつつ、高精度にＰＭ粒子数を算出することができる。また、エンジン回転速度が高いほど、平均粒子質量を大きい値に設定する構成とした。これにより、エンジン回転速度が高低変化する場合に、そのエンジン回転速度の変化に起因するＰＭの大きさ変化を加味しつつ、高精度にＰＭ粒子数を算出することができる。
【００６６】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００６７】
・上記第１の実施形態において、各ＰＭ検出部３４〜３６における印加電圧を可変に設定できる構成としてもよい。つまり、電源装置４１により印加される各ＰＭ検出部３４〜３６の電圧を可変とし、各ＰＭ検出部での印加電圧の差を変更できる構成とする。例えば、エンジン運転状態に基づいて、各ＰＭ検出部３４〜３６に印加する電圧を変更する。このとき、排気中に含まれるＰＭの大きさが増大する傾向にあれば、各ＰＭ検出部３４〜３６の印加電圧、又は電圧最大となるＰＭ検出部３４の印加電圧を高電圧側に変更するとよい。
【００６８】
・上記第１の実施形態において、複数のＰＭ検出部３４〜３６のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれるＰＭの大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲のＰＭについて粒子数を算出する構成としてもよい。例えば、図５のステップＳ１４では、ＰＭ検出部３４〜３６ごとに、ＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ粒子数が算出される。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６のうちＰＭ検出部３６の検出結果から算出されるＰＭ粒子数は、排気中のＰＭについて大きさの全範囲（０〜０．５μｍ）のうち軽小範囲（０〜０．３μｍ）のＰＭだけの粒子数となる。このように、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出結果から算出されるＰＭ粒子数を抽出することで、所望とする大きさの範囲のＰＭ粒子数を求めることができる。
【００６９】
なお、ＰＭ検出部３４の検出結果に基づいて算出されるＰＭ付着量から、ＰＭ検出部３５の検出結果に基づいて算出されるＰＭ付着量を減算する処理を行うことにより、ＰＭ検出部３４での付着ＰＭの粒径範囲（０〜０．５μｍ）内であり、かつＰＭ検出部３５での付着ＰＭの粒径範囲（０〜０．４μｍ）内ではない粒径範囲、すなわち０．４〜０．５μｍの粒径範囲のＰＭについてＰＭ付着量を算出でき、その粒径範囲（０．４〜０．５μｍ）の大きさのＰＭを対象に粒子数を算出することができる。同様に、ＰＭ検出部３５，３６の両検出結果によれば、０．３〜０．４μｍの粒径範囲のＰＭについてＰＭ付着量を算出でき、その粒径範囲（０．３〜０．４μｍ）の大きさのＰＭを対象に粒子数を算出することができる。
【００７０】
・上記第１の実施形態において、ＰＭ粒子数を算出する処理周期と、ＰＭ付着量を算出する処理周期とを個別に定め、前者の処理周期を後者の処理周期よりも長くする構成において、ＰＭ付着量を算出する場合には、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち１つのみに電圧を印加し（他の２つは印加電圧＝０）、ＰＭ粒子数を算出する場合にのみ、各ＰＭ検出部３４〜３６に対して各々異なる電圧を印加する構成であってもよい。
【００７１】
・上記第１の実施形態では、１つのＰＭセンサ１９を用い、その１つのＰＭセンサ１９が有する複数のＰＭ検出部３４〜３６から各々ＰＭ検出電圧をＥＣＵ２５に入力する構成としたが、これを変更し、複数のＰＭセンサを用い、それら複数のＰＭセンサから各々ＰＭ検出電圧をＥＣＵ２５に入力する構成としてもよい。この場合、ＰＭセンサはそれぞれ１つずつのＰＭ検出部を有するものであればよい（ただし、複数のＰＭ検出部を有するものでもよい）。
【００７２】
・上記第１の実施形態で用いるセンサ素子の構成を以下のように変更してもよい。図９は、センサ素子の別の構成を示す平面図である。なお図９では、説明の便宜上、図２に示すセンサ素子３１と同様の構成については同じ符号を付すとともに、詳細な説明を割愛する。
【００７３】
図９（ａ）に示すセンサ素子６１では、各ＰＭ検出部３４〜３６において各々に検出電極間の間隔が相違しており、ＰＭ検出部３４の検出電極間の間隔ｄ１、ＰＭ検出部３５の検出電極間の間隔ｄ２、ＰＭ検出部３６の検出電極間の間隔ｄ３は、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３の関係となっている。
【００７４】
上記構成によれば、各ＰＭ検出部３４〜３６で検出電極間の間隔が相違していることで、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極間に生じる電界強度を相違させることができる。したがって、センサ素子６１に付着するＰＭについて、各ＰＭ検出部３４〜３６での付着ＰＭの大きさ（粒径や質量）をそれぞれ異ならせることができる。この場合、各ＰＭ検出部３４〜３６で印加電圧を同一した構成であってもよい。こうして印加電圧を同一にする構成では、電源装置として簡易な構成のものを適用できることとなる。
【００７５】
また、図９（ｂ）に示すセンサ素子６２は、３つのＰＭ検出部３４〜３６に対してヒータ部３７を偏った位置に設けることで、各ＰＭ検出部３４〜３６で温度勾配（温度差）を付けたものである。より具体的には、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち、絶縁基板３２の最も先端側にあるＰＭ検出部３４に対応させてヒータ部３７（発熱部）を配置している。そして、その温度勾配により、各ＰＭ検出部３４〜３６での付着ＰＭの大きさ（粒径や質量）をそれぞれ異ならせるようにしている。
【００７６】
上記構成によれば、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにヒータ部３７（発熱部）との距離が相違するため、ヒータ加熱状態において各ＰＭ検出部３４〜３６の温度が各々相違し、その温度の相違により各々異なる空気の対流が生じる。例えば、高温のＰＭ検出部（本実施形態ではＰＭ検出部３４）ほど、空気流の流れが速くなり、大きな対流が生じることとなる。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６では、各自で発生する対流の違いにより、付着するＰＭの大きさが異なることとなる。例えば、対流が大きいＰＭ検出部３４では、比較的大きなＰＭ（質量大となるＰＭ）が捕集され、対流が小さいＰＭ検出部３６では、比較的小さいなＰＭ（質量小となるＰＭ）が捕集される。
【００７７】
図９（ｃ）に示すセンサ素子６３は、３つのＰＭ検出部３４〜３６にそれぞれ対応させて発熱部３７ａ，３７ｂ，３７ｃを設けるとともに、それらの各発熱部３７ａ〜３７ｃにおいて発熱量を相違させることで、各ＰＭ検出部３４〜３６で温度差（温度勾配）を付けたものである。この場合、発熱部３７ａによりＰＭ検出部３４及びその周辺が加熱され、発熱部３７ｂによりＰＭ検出部３５及びその周辺が加熱され、発熱部３７ｃによりＰＭ検出部３６及びその周辺が加熱される。例えば、発熱部３７ａの発熱量Ｑ１、発熱部３７ｂの発熱量Ｑ２、発熱部３７ｃの発熱量Ｑ３は、Ｑ１＞Ｑ２＞Ｑ３の関係となっている。
【００７８】
上記構成によれば、ヒータ加熱状態において各ＰＭ検出部３４〜３６の温度が各々相違し、その温度の相違により各々異なる空気の対流が生じる。例えば、高温のＰＭ検出部（本実施形態ではＰＭ検出部３４）ほど、空気流の流れが速くなり、大きな対流が生じることとなる。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６では、各自で発生する対流の違いにより、付着するＰＭの大きさが異なることとなる。例えば、対流が大きいＰＭ検出部３４では、比較的大きなＰＭ（質量大となるＰＭ）が捕集され、対流が小さいＰＭ検出部３６では、比較的小さいなＰＭ（質量小となるＰＭ）が捕集される。
【００７９】
なお、図９（ｃ）の構成では、同（ｂ）の構成に比べて、各ＰＭ検出部３４〜３６で確実に温度差をつけることができ、各ＰＭ検出部３４〜３６において大きさの違いによる付着ＰＭの振分をより適正に行うことができる。
【００８０】
・上記各実施形態では、ＰＭ粒子の大きさの指標として平均粒子質量［ｍｇ］を用いたが、平均粒径［μｍ］を用いることも可能である。ＰＭ粒子の１個当たりの質量と粒径とはほぼ比例関係にあるため、平均粒子質量を用いることと、平均粒径を用いることとは同義であると言える。
【００８１】
・エンジン排気管にＰＭを捕集するためのＰＭフィルタを設け、その下流側又は上流側の少なくともいずれかにＰＭセンサを設けた構成において、ＰＭセンサの検出値に基づいてＰＭフィルタの再生タイミングを制御する構成としてもよい。また、ＰＭセンサの検出値に基づいてＰＭフィルタの故障診断を実施する構成としてもよい。
【００８２】
・上記実施形態では、直噴式ガソリンエンジンについての適用を例示したが、他の形式のエンジンにも適用できる。例えば、ディーゼルエンジン（特に、直噴式ディーゼルエンジン）に適用することとし、ディーゼルエンジンの排気管に設けられたＰＭセンサについて本発明を用いることも可能である。また、エンジンの排気以外のガスを対象としてＰＭ量を検出するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…燃料噴射弁（燃料噴射手段）、１９…ＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）、２１…回転センサ、２３…燃圧センサ、２４…水温センサ、２５…ＥＣＵ、３２…絶縁基板（被付着部）、３４〜３６…ＰＭ検出部、３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ…検出電極（対向電極）、３７…ヒータ部、４５…マイコン（付着量算出手段、粒子質量設定手段、粒子数算出手段）、５２…絶縁基板（被付着部）、５４…ＰＭ検出部、５４ａ，５４ｂ…検出電極（対向電極）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の量を算出するセンサ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンから排出されるＰＭの量を検出するＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）が各種提案されている。例えば、特許文献１のＰＭセンサでは、絶縁基板上に一対の対向電極を設けておき、その一対の対向電極間にＰＭが付着すると電極間抵抗が変化することを利用し、電極間抵抗に応じた検出信号を出力する構成としている。そして、ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ量を算出することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１９６４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＭセンサの検出信号に基づいてＰＭ量が算出される場合、そのＰＭ量は質量として算出されるが、エンジンから排出されるＰＭ量を評価するには、質量による評価だけでなく、粒子数による評価が考えられている。かかる場合、ＰＭセンサに付着する粒子状物質の平均粒子質量をあらかじめ定めておき、ＰＭ量（質量）を平均粒子質量によって除算演算することにより、ＰＭの粒子数を算出することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、排気中に含まれるＰＭには、大きさ（質量や粒径）が大小異なるものが含まれており、また、エンジン運転状態等によって大きさの分布が異なるものになると考えられる。そのため、ＰＭ粒子数を算出する場合にその算出精度を確保することは困難であり、ゆえにＰＭ粒子数を正確に把握できないという問題があると考えられる。
【０００６】
本発明は、内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ）の粒子数を正確に求めることができるセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【０００８】
本発明のセンサ制御装置は、内燃機関から排出される排気中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に設けられた一対の対向電極からなる検出部とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用されるものである。そして、請求項１に記載の発明では、前記粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出する付着量算出手段と、前記被付着部に付着した粒子状物質の粒子１個当たりの平均粒子質量として各々異なる複数の平均粒子質量を設定可能であり、そのうちいずれかの平均粒子質量を設定する粒子質量設定手段と、前記付着量算出手段により算出した前記粒子状物質の付着量と、前記粒子質量設定手段により設定した平均粒子質量とに基づいて、前記粒子状物質の粒子数を算出する粒子数算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
要するに、粒子状物質の粒子数の算出に用いる平均粒子質量が１つでありかつそれが固定されている場合、粒子数の算出精度が低くなることが懸念される。つまり、粒子状物質の粒子の大きさにはばらつきがあり、さらに粒子状物質は内燃機関の運転状態等に応じて大小変化することを考えると、算出精度を確保するのが困難になる。この点、本発明によれば、被付着部に付着した粒子状物質の平均粒子質量について、複数の平均粒子質量からの設定が可能となるため、平均粒子質量の使い分けが可能となり、粒子数の算出精度を高めることができる。その結果、内燃機関から排出される粒子状物質の粒子数を正確に求めることが可能となる。
【００１０】
なお、粒子状物質の粒子１個当たりの質量と粒径とはほぼ比例関係にあり、粒子状物質の大きさの指標として、質量に代えて粒径を採用することも可能である。つまり、粒子状物質の粒子１個当たりの平均の大きさとして、平均粒子質量と平均粒径とは同義に扱われてもよい。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、複数の前記検出部における検出結果が各々検出信号として入力されるセンサ制御装置であって、前記複数の検出部は、付着する粒子状物質の大きさの範囲が各々異なるものであり、前記粒子質量設定手段は、前記複数の検出部ごとに前記平均粒子質量を設定し、前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部ごとの前記粒子状物質の付着量と前記平均粒子質量とに基づいて、前記複数の検出部ごとに前記粒子状物質の粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中の粒子状物質の粒子数を算出する。
【００１２】
上記構成によれば、複数の検出部において、付着する粒子の大きさが各々相違するため、粒子の大きさの範囲を各々限定することができる。したがって、個々の検出部における粒子数の算出精度を高めることができ、ひいては排気中に存在する粒子状物質の個数を精度良く算出することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれる粒子状物質の大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲の粒子状物質について粒子数を算出する。
【００１４】
上記構成によれば、例えば粒子状物質の大きさの全範囲のうち軽小範囲の粒子状物質だけを対象に粒子数を算出したりすることができる。具体的には、複数の検出部の各検出結果のうち、粒子状物質の大きさの範囲が最小となる検出部の検出結果を用いることで、軽小範囲の粒子状物質だけを対象に粒子数を算出する。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、前記粒子質量設定手段は、前記運転状態検出手段により検出した機関運転状態に基づいて前記粒子状物質の平均粒子質量を設定する。
【００１６】
内燃機関の運転状態が変化すると、それに伴い排気中の粒子状物質の大きさの分布が変わると考えられる。上記構成によれば、機関運転状態の変化に伴い粒子状物質の大きさの分布が変化した場合に、それに合わせて平均粒子質量を可変に設定できる。そのため、粒子状物質の粒子数の算出精度を高めることができる。
【００１７】
機関運転状態に基づいて粒子状物質の平均粒子質量を設定する構成として、以下の請求項５，６の構成が考えられる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、前記運転状態として、筒内噴射式内燃機関の燃料噴射手段から噴射される燃料粒径の決定要因となる機関運転状態を検出し、前記燃料粒径が大きくなる機関運転状態では前記燃料粒径が小さくなる機関運転状態に比べて前記平均粒子質量を大きい値に設定する。
【００１９】
つまり、機関運転状態に応じて燃料粒径（燃料噴射手段から噴射される燃料の粒径）が変わり、その燃料粒径に応じて粒子状物質の大きさ（質量や粒径）が変わると考えられる。この点、請求項５の発明によれば、都度の機関運転状態を好適に反映しつつ、高精度に粒子状物質の粒子数を算出することができる。
【００２０】
具体的には、燃料噴射手段に供給される燃料の圧力（燃圧）が高いほど、燃料粒径が小さくなり、逆に燃圧が低いほど、燃料粒径が大きくなる。それを考慮し、燃圧が低いほど、粒子状物質の平均粒子質量として大きい粒子質量を設定するとよい。また、内燃機関の水温が高いほど、燃料粒径が小さくなり、逆に水温が低いほど、燃料粒径が大きくなる。それを考慮し、水温が低いほど、粒子状物質の平均粒子質量として大きい粒子質量を設定するとよい。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明では、前記運転状態として前記内燃機関の回転速度を検出し、前記検出した内燃機関の回転速度が高いほど、前記平均粒子質量を大きい値に設定する。
【００２２】
内燃機関の回転速度が高低相違すると内燃機関の燃焼サイクルにおいて燃料噴射終了から着火されて燃焼するまでの「霧化時間」が変わり、それによって粒子状物質の大きさに影響が及ぶと考えられる。例えば内燃機関の回転速度が高い状態ではこの霧化時間が短くなり、粒径の大きい粒子状物質が排気通路に排出される。この点、請求項６の発明によれば、都度の機関回転速度を好適に反映しつつ、高精度に粒子状物質の粒子数を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概要を示す構成図。
【図２】ＰＭセンサのセンサ素子の要部構成を分解して示す分解斜視図。
【図３】ＰＭセンサに関する電気的構成図。
【図４】３つのＰＭ検出部について付着ＰＭの粒径分布を示す図。
【図５】ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャート。
【図６】センサ素子と主要な電気的構成とを示す図。
【図７】ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャート。
【図８】（ａ）は燃圧とＰＭ粒径との関係を示す図、（ｂ）は水温とＰＭ粒径との関係を示す図、（ｃ）はエンジン回転速度とＰＭ粒径との関係を示す図。
【図９】センサ素子の別の構成を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車載エンジンを備える車両エンジンシステムにおいて、同エンジンから排出される排気中のＰＭ量（導電性粒子状物質の量）を監視するものである。特に、エンジン排気管にＰＭセンサを設け、そのＰＭセンサでのＰＭ付着量に基づいて排気中のＰＭ量を監視するものとしている。図１は、本システムの概略構成を示す構成図である。
【００２５】
図１において、エンジン１１は直噴式ガソリンエンジンであり、同エンジン１１には、同エンジン１１の運転に関わるアクチュエータとして燃料噴射弁１２や点火装置１３等が設けられている。燃料噴射弁１２には燃料配管１４を介して燃料供給部１５が接続されており、燃料噴射弁１２は燃料供給部１５から供給される燃料をエンジン燃焼室内に直接噴射する。燃料供給部１５は、燃料を高圧化して燃料噴射弁１２に供給する周知の高圧燃料供給手段であり、燃料タンクから供給される燃料を高圧化する高圧ポンプや、この高圧ポンプから吐出される高圧燃料が導入される蓄圧部としてのデリバリパイプ等を備えている。
【００２６】
エンジン１１の排気管１６には排気浄化装置としての三元触媒１７が設けられており、その三元触媒１７の上流側にはＡ／Ｆセンサ１８が設けられ、下流側には粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサ１９が設けられている。その他、本システムでは、エンジン回転速度を検出するための回転センサ２１や、吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ２２、燃料供給部１５における燃料圧力（デリバリパイプ内の燃圧）を検出するための燃圧センサ２３、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサ２４等が設けられている。
【００２７】
ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１１及びその周辺装置の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。また、ＥＣＵ２５は、燃料供給部１５における燃料圧力（デリバリパイプ内の燃圧）を制御する燃圧制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ２５は、都度のエンジン運転状態（エンジン回転速度や吸気管圧力）に基づいて目標燃圧を設定するとともに、燃圧センサ２３により検出した実燃圧が目標燃圧に一致するように燃圧フィードバック制御を実施する。
【００２８】
さらに、ＥＣＵ２５は、ＰＭセンサ１９の検出信号に基づいてエンジン１１の実際のＰＭ排出量（実ＰＭ排出量）を算出し、その実ＰＭ排出量に基づいてエンジン１１の燃焼状態を診断する。具体的には、実ＰＭ排出量が所定の異常判定値を超えていれば、ＰＭ排出過多の状態であり、エンジン異常であると判定する。
【００２９】
その他、ＥＣＵ２５は、ＰＭセンサ１９の検出結果から算出される実ＰＭ排出量に基づいて、エンジン１１の制御態様を可変に制御する構成であってもよい。例えば、実ＰＭ排出量に基づいて燃料噴射量を制御したり、燃料噴射時期を制御したり、点火時期を制御したりすることが可能である。
【００３０】
次に、ＰＭセンサ１９の構成、及びそのＰＭセンサ１９に関する電気的構成を図２及び図３を用いて説明する。図２は、ＰＭセンサ１９を構成するセンサ素子３１の要部構成を分解して示す分解斜視図であり、図３は、ＰＭセンサ１９に関する電気的構成図である。
【００３１】
図２に示すように、センサ素子３１は、長尺板状をなす２枚の絶縁基板３２，３３を有しており、一方の絶縁基板３２にはＰＭ量を検出するための３つのＰＭ検出部３４，３５，３６が設けられ、他方の絶縁基板３３にはセンサ素子３１を加熱するためのヒータ部３７が設けられている。センサ素子３１は、絶縁基板３２，３３が二層に積層されることで構成されている。絶縁基板３２が被付着部に相当する。なお本実施形態では、３つのＰＭ検出部を設ける構成とするが、その個数は複数個であれば任意である。
【００３２】
ＰＭ検出部３４〜３６はそれぞれ一対の検出電極を有するものであり、絶縁基板３２には、ＰＭ検出部３４として一対の検出電極３４ａ，３４ｂが設けられ、ＰＭ検出部３５として一対の検出電極３５ａ，３５ｂが設けられ、ＰＭ検出部３６として一対の検出電極３６ａ，３６ｂが設けられている。これらＰＭ検出部３４〜３６の各検出電極は、他方の絶縁基板３３（ヒータ用基板）とは反対側の基板表面において互いに離間して設けられており、直線状をなす１つ又は２つの直線電極同士が互い違いに所定間隔をあけて対向配置されて構成されている。各ＰＭ検出部３４〜３６における検出電極の対向間隔はいずれも同一である。また、ヒータ部３７は例えば電熱線からなる発熱体により構成されている。
【００３３】
ただし、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極の形状は上記に限定されず、複数の櫛歯電極同士が互い違いに設けられるものや、曲線状をなす形状で設けられているもの、各１本の線からなる一対の電極部が所定距離を隔てて平行に対向配置されているものであってもよい。
【００３４】
なお、図示は省略するが、ＰＭセンサ１９は、センサ素子３１を保持するための保持部を有しており、センサ素子３１はその一端側が保持部により保持された状態で排気管に固定されるようになっている。この場合、少なくともＰＭ検出部３４〜３６及びヒータ部３７を含む部位が排気管内に位置するように、かつセンサ素子３１において絶縁基板３２（ＰＭ被付着部）が排気上流側を向くようにして、ＰＭセンサ１９が排気管に取り付けられる構成となっている。これにより、ＰＭを含む排気が排気管内を流れる際、そのＰＭが絶縁基板３２において各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極及びその周辺に付着し堆積する。また、ＰＭセンサ１９は、センサ素子３１の突出部分を覆う保護カバーを有している。
【００３５】
上記構成のＰＭセンサ１９は、排気中のＰＭがセンサ素子３１の絶縁基板３２に付着し堆積すると、それによりＰＭ検出部３４〜３６の各抵抗値（すなわち各一対の検出電極間の抵抗値）が変化すること、及びその抵抗値の変化がＰＭ付着量に対応していることから、その抵抗値の変化を利用してＰＭ量を検出するものである。
【００３６】
図３に示すように、ＰＭセンサ１９に関する電気的構成として、ＰＭセンサ１９のＰＭ検出部３４〜３６の一端側には電源装置４１が接続され、他端側にはそれぞれシャント抵抗４２，４３，４４が接続されている。電源装置４１は、車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧回路により構成されており、例えば、ＰＭ検出部３４，３５，３６に対してそれぞれ５０Ｖ、４０Ｖ、３０Ｖの電圧を印加するものとなっている。各ＰＭ検出部３４〜３６では、印加電圧が相違することから各々に電極周囲の電界強度が異なり、その電界強度の違いに応じて、各ＰＭ検出部３４〜３６で捕集されるＰＭ（付着ＰＭ）の最大粒径が各々異なるものとなる。つまり、排気中には粒径が大小異なる様々なＰＭが混在しているが、粒径が比較的大きいＰＭは質量が大きいため、電界強度が大きいＰＭ検出部でないと捕集されない。これに対し、粒径が比較的小さいＰＭは質量が小さいため、電界強度が小さいＰＭ検出部でも捕集される。
【００３７】
なお、排気中に存在するＰＭが帯電していれば、各ＰＭ検出部３４〜３６への捕集効率が高められると考えられる。つまり、ＰＭが帯電していることにより、ＰＭが各ＰＭ検出部３４〜３６に引き寄せられる力が増し、ＰＭが効率よく捕集される。排気管内に放電手段を有してなる荷電部を設け、その荷電部を稼働させることによりＰＭを帯電させる構成であってもよい。具体的には、荷電部においてコロナ放電によりイオンを生じさせ、そのイオンをＰＭに付着させることでＰＭを帯電させる。そして、その帯電ＰＭを電界の作用によって各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極において分離補集する。
【００３８】
また、図３に示す電気回路では、ＰＭ検出部３４〜３６とシャント抵抗４２〜４４とによりそれぞれ分圧回路が構成されており、それらの中間点電圧がＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１，Ｖｐｍ２，Ｖｐｍ３としてＥＣＵ２５に入力されるようになっている。つまり、各ＰＭ検出部３４〜３６ではＰＭ付着量に応じて抵抗値（電極間抵抗値）が変化し、その抵抗値の変化に応じてＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３が変化する。そして、そのＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３がＡ／Ｄ変換器（図示略）を介してマイコン４５に入力される。マイコン４５は、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３に応じてＰＭ付着量を算出する。
【００３９】
また、ＰＭセンサ１９のヒータ部３７には、ヒータ電源４７が接続されている。ヒータ電源４７は例えば車載バッテリであり、車載バッテリからの給電によりヒータ部３７が加熱される。この場合、ヒータ部３７のローサイドにはスイッチング素子としてのトランジスタ４８が接続されており、マイコン４５によりトランジスタ４８がオン／オフされることでヒータ部３７の加熱制御が行われる。
【００４０】
絶縁基板３２上にＰＭが付着した状態でヒータ部３７の通電を開始すると、付着ＰＭの温度が上昇し、それに伴い付着ＰＭが強制的に燃焼される。こうした強制燃焼により、絶縁基板３２に付着したＰＭが燃焼除去される。マイコン４５は、例えば、エンジン始動時や運転終了時に、又はＰＭ付着量が所定量になったと判定された時に、ＰＭの強制燃焼要求が生じたとしてヒータ部３７による加熱制御を実施する。なお、ＰＭセンサ１９のＰＭ強制燃焼の処理は、ＰＭセンサ１９においてＰＭ付着量の検出機能を再生するものであり、その意味からセンサ再生処理とも称される。
【００４１】
上述したように各ＰＭ検出部３４〜３６における印加電圧が相違する構成では、ＰＭ検出部ごとにＰＭ粒径の分布が異なり、その粒径分布を図４に示す。図４は、横軸をＰＭ粒径［μｍ］、縦軸を粒子数［個］として、３つのＰＭ検出部３４〜３６について捕集されるＰＭ（付着ＰＭ）の粒径分布を示すものである。
【００４２】
図４に示すように、各ＰＭ検出部３４〜３６では、その印加電圧が高いほど付着ＰＭの粒径範囲が上限拡大側に拡がり、すなわち捕集可能な最大粒径が大きくなり、それに伴い付着ＰＭの粒径の平均値（平均粒径）が、印加電圧が高いＰＭ検出部であるほど大きくなっている。具体的には、印加電圧が５０ＶのＰＭ検出部３４では、粒径が０〜０．５μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は２．５μｍである。また、印加電圧が４０ＶのＰＭ検出部３５では、粒径が０〜０．４μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は２μｍである。印加電圧が３０ＶのＰＭ検出部３６では、粒径が０〜０．３μｍのＰＭが捕集され、その平均粒径は１．５μｍである。本実施形態では、ＰＭ検出部３４の粒径範囲（０〜０．５μｍ）が、ＰＭの大きさの全範囲に相当する。
【００４３】
本実施形態では、ＰＭ検出部３４〜３６ごとに、付着するＰＭの大きさ（粒径範囲）が異なることに着目し、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ１個当たりの平均粒子質量を設定するとともに、それらの平均粒子質量を用いてＰＭ粒子数を算出することとしている。なお、ＰＭの粒子質量は、ＰＭの粒径に概ね比例するものであり、上述のごとく各ＰＭ検出部３４〜３６でＰＭの平均粒径が異なることから、それと同様にＰＭの平均粒子質量も異なるものとなっている。
【００４４】
具体的には、ＰＭ検出部３４でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ａ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ａ［ｍｇ］とし、ＰＭ検出部３５でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ｂ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ｂ［ｍｇ］とし、ＰＭ検出部３６でのＰＭ付着量をＭａｓｓ＿Ｃ［ｍｇ］、平均粒子質量をＭｅａｎ＿Ｃ［ｍｇ］とすると、ＰＭ検出部３４〜３６に付着したそれぞれのＰＭ粒子数は、Ｍａｓｓ＿Ａ／Ｍｅａｎ＿Ａ、Ｍａｓｓ＿Ｂ／Ｍｅａｎ＿Ｂ、Ｍａｓｓ＿Ｃ／Ｍｅａｎ＿Ｃとして求められ、それらの総和により排気中のＰＭ粒子数が算出される。
【００４５】
なお、各ＰＭ検出部３４〜３６を比べると、電極長さが相違することによりＰＭ付着面の面積が各々異なる（図２参照）。それゆえに、各ＰＭ検出部３４〜３６の面積比を加味して排気中のＰＭ粒子数を算出するようにしてもよい。例えば、各ＰＭ検出部３４〜３６について同一面積で換算してＰＭ粒子数を算出し、そのＰＭ粒子数の総和により排気中のＰＭ粒子数を算出する構成であってもよい。
【００４６】
ちなみに、排気中のＰＭ付着量の算出に関して補足すると、基本的には３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち１つのＰＭ検出部の検出結果に基づいてＰＭ付着量が算出される。この場合、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち、ＰＭ検出部３５，３６は捕集されるＰＭの大きさが限定されるが、ＰＭ検出部３４は、捕集されるＰＭの大きさが限定されず、どの大きさのＰＭも捕集可能となっている。したがって、排気中のＰＭ量を算出するには、ＰＭ検出部３４の検出結果に基づいて行われるのが望ましい。ただし、３つのＰＭ検出部３４〜３６の検出結果に基づいてＰＭ付着量を算出してもよい。
【００４７】
図５は、ＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ２５内のマイコン４５により所定周期で繰り返し実行される。
【００４８】
図５において、ステップＳ１１では、粒子数算出の実行条件の成否を判定する。例えば、実行条件として、ＰＭセンサ１９に異常が生じていないか否かを判定し、異常無しの場合に実行条件が成立しているとする。ステップＳ１１がＹＥＳの場合、ステップＳ１２で、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ１〜Ｖｐｍ３に基づいて、各ＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ付着量を算出する。また、ステップＳ１３では、各ＰＭ検出部３４〜３６における平均粒子質量を設定する。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６の平均粒子質量は、各ＰＭ検出部３４〜３６の印加電圧に対応させて、それぞれ大小異なるように設定される。
【００４９】
その後、ステップＳ１４では、各ＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいて、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ粒子数を算出するとともに、それらＰＭ検出部３４〜３６ごとのＰＭ粒子数に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【００５０】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５１】
ＰＭセンサ１９に、各々付着するＰＭの大きさの範囲（粒径範囲）が相違する３つのＰＭ検出部３４〜３６を設け、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにＰＭ付着量を算出するとともに平均粒子質量を設定し、さらにそれらＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ検出部３４〜３６ごとのＰＭ粒子数を算出する構成とした。そして、それらの各算出結果に基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出するようにした。かかる構成によれば、複数のＰＭ検出部３４〜３６において、付着するＰＭ粒子の大きさが各々相違するため、ＰＭ粒子の大きさの範囲を各々限定することができる。したがって、個々のＰＭ検出部３４〜３６におけるＰＭ粒子数の算出精度を高めることができ、ひいては排気中に存在するＰＭの個数を精度良く算出することができる。
【００５２】
ここで、ＰＭセンサがＰＭ検出部を１つしか有さず、しかも平均粒子質量が１つでありかつ固定されている場合、排気中に含まれるＰＭの大きさにはばらつきがあるため、粒子数の算出精度が低くなることが懸念される。この点、本実施形態の構成によれば、ＰＭ検出部３４〜３６ごとの複数の平均粒子質量が設定されるため、平均粒子質量の使い分けが可能となり、粒子数の算出精度を高めることができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について第１の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、ＰＭセンサが１つのＰＭ検出部を有する構成となっており、そのＰＭ検出部の検出結果（ＰＭ検出電圧Ｖｐｍ）に基づいてＰＭの粒子数を算出する。また、粒子数の算出に際し、ＰＭの平均粒子質量を、エンジン運転状態に基づいて設定することを特徴とするものである。つまり、排気中に含まれるＰＭの大きさは都度のエンジン運転状態に応じて変わりうるものである。そこで本実施形態では、都度のエンジン運転状態に応じてＰＭの大きさが変わることを考慮して平均粒子質量を設定し、それによりＰＭ粒子数の算出精度を高めることとしている。
【００５４】
図６は、本実施形態におけるＰＭセンサ１９を構成するセンサ素子５１と、主要な電気的構成とを示す図である。
【００５５】
図６に示すように、センサ素子５１は、長尺板状をなす２枚の絶縁基板５２，５３を有しており、一方の絶縁基板５２にはＰＭ検出部５４が設けられ、他方の絶縁基板５３にはヒータ部５５が設けられている。絶縁基板５２が被付着部に相当する。絶縁基板５２には、他方の絶縁基板５３とは反対側の基板表面に、互いに離間して設けられる一対の検出電極５４ａ，５４ｂが設けられており、この一対の検出電極５４ａ，５４ｂによりＰＭ検出部５４が構成されている。検出電極５４ａ，５４ｂは、各々複数の櫛歯を有する櫛歯形状をなしており、各検出電極５４ａ，５４ｂの櫛歯同士が互い違いとなるようして所定間隔をあけて対向配置されている。
【００５６】
ＰＭ検出部５４の一方の検出電極５４ａには電源装置４１が接続され、他方の検出電極５４ｂにはシャント抵抗４２が接続されている。これら電源装置４１やシャント抵抗４２については既述済みである（図２参照）。この場合、ＰＭ検出部５４とシャント抵抗４２との間の中間点電圧がＰＭ検出電圧Ｖｐｍ（センサ検出値）としてマイコン４５に入力されるようになっている。
【００５７】
図７は、本実施形態におけるＰＭ粒子数の算出手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４５により所定周期で繰り返し実行される。
【００５８】
図７において、ステップＳ２１では、粒子数算出の実行条件の成否を判定する（図５のＳ１１と同様）。その後、ステップＳ２２では、ＰＭ検出電圧Ｖｐｍに基づいてＰＭ検出部５４におけるＰＭ付着量を算出する。また、ステップＳ２３では、エンジン運転状態を表す所定の運転状態パラメータを取得する。本実施形態では、運転状態パラメータとして、燃圧センサ２３の検出結果から算出される燃圧と、水温センサ２４の検出結果から算出される水温と、回転センサ２１の検出結果から算出されるエンジン回転速度とを取得することとしている。
【００５９】
その後、ステップＳ２４では、ＰＭの平均粒子質量を、今現在の運転状態パラメータに基づいて設定する。このとき、図８に示す関係に基づいてＰＭの平均粒子質量を設定する。より具体的には、図８において、（ａ）は燃圧とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図であり、（ｂ）は水温とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図である。これら図８（ａ）、（ｂ）では、燃圧が高いほどＰＭ粒径が小さくなり、また、水温が高いほどＰＭ粒径が小さくなるという関係が示されている。燃圧や水温が、燃料粒径の決定要因となる運転状態パラメータに相当する。
【００６０】
要するに、燃圧が比較的高い場合、又は水温が比較的高い場合には、燃料噴射弁１２から噴射される燃料粒径が小さくなり、逆に燃圧が比較的低い場合、又は水温が比較的低い場合には、燃料噴射弁１２から噴射される燃料粒径が大きくなる。この場合、燃料粒径が小さいほど、排気中のＰＭが小さくなる傾向にあり、その関係に基づいて図８（ａ），（ｂ）が規定されている。
【００６１】
また、図８（ｃ）はエンジン回転速度とＰＭ粒径（＝１個当たりの粒子質量）との関係を示す図である。この図８（ｃ）では、エンジン回転速度が高いほどＰＭ粒径が大きくなるという関係が示されている。エンジン回転速度が高低相違するとエンジン燃焼サイクルにおいて燃料噴射終了から着火されて燃焼するまでの「霧化時間」が変わり、それによってもＰＭの大きさに影響が及ぶと考えられる。例えばエンジン回転速度が高い状態では霧化時間が短くなり、ＰＭ粒径の比較的大きいＰＭが排気管に排出される。
【００６２】
なお、上記３つの運転状態パラメータを全て用いてＰＭの平均粒子質量を設定する以外に、いずれか１つのパラメータを用いる構成や、２つのパラメータを用いる構成であってもよい。
【００６３】
その後、ステップＳ２５では、ＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいて、排気中のＰＭ粒子数を算出する。
【００６４】
以上詳述した第２の実施形態によれば、都度のエンジン運転状態に基づいてＰＭの平均粒子質量を設定する構成とした。そのため、エンジン運転状態の変化に伴いＰＭの大きさが変化した場合に、それに合わせて平均粒子質量を可変に設定でき、結果としてＰＭ粒子数の算出精度を高めることができる。
【００６５】
具体的には、燃圧や水温を燃料粒径の決定要因となる運転状態パラメータとして定めておき、燃料粒径が大きくなるエンジン運転状態では燃料粒径が小さくなるエンジン運転状態に比べて平均粒子質量を大きい値に設定する構成とした。これにより、エンジン燃焼室内での燃料粒径（燃料噴射弁１２からの噴射燃料の粒径）が大小変化する場合に、その燃料粒径の変化に起因するＰＭの大きさ変化を加味しつつ、高精度にＰＭ粒子数を算出することができる。また、エンジン回転速度が高いほど、平均粒子質量を大きい値に設定する構成とした。これにより、エンジン回転速度が高低変化する場合に、そのエンジン回転速度の変化に起因するＰＭの大きさ変化を加味しつつ、高精度にＰＭ粒子数を算出することができる。
【００６６】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００６７】
・上記第１の実施形態において、各ＰＭ検出部３４〜３６における印加電圧を可変に設定できる構成としてもよい。つまり、電源装置４１により印加される各ＰＭ検出部３４〜３６の電圧を可変とし、各ＰＭ検出部での印加電圧の差を変更できる構成とする。例えば、エンジン運転状態に基づいて、各ＰＭ検出部３４〜３６に印加する電圧を変更する。このとき、排気中に含まれるＰＭの大きさが増大する傾向にあれば、各ＰＭ検出部３４〜３６の印加電圧、又は電圧最大となるＰＭ検出部３４の印加電圧を高電圧側に変更するとよい。
【００６８】
・上記第１の実施形態において、複数のＰＭ検出部３４〜３６のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれるＰＭの大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲のＰＭについて粒子数を算出する構成としてもよい。例えば、図５のステップＳ１４では、ＰＭ検出部３４〜３６ごとに、ＰＭ付着量と平均粒子質量とに基づいてＰＭ粒子数が算出される。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６のうちＰＭ検出部３６の検出結果から算出されるＰＭ粒子数は、排気中のＰＭについて大きさの全範囲（０〜０．５μｍ）のうち軽小範囲（０〜０．３μｍ）のＰＭだけの粒子数となる。このように、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出結果から算出されるＰＭ粒子数を抽出することで、所望とする大きさの範囲のＰＭ粒子数を求めることができる。
【００６９】
なお、ＰＭ検出部３４の検出結果に基づいて算出されるＰＭ付着量から、ＰＭ検出部３５の検出結果に基づいて算出されるＰＭ付着量を減算する処理を行うことにより、ＰＭ検出部３４での付着ＰＭの粒径範囲（０〜０．５μｍ）内であり、かつＰＭ検出部３５での付着ＰＭの粒径範囲（０〜０．４μｍ）内ではない粒径範囲、すなわち０．４〜０．５μｍの粒径範囲のＰＭについてＰＭ付着量を算出でき、その粒径範囲（０．４〜０．５μｍ）の大きさのＰＭを対象に粒子数を算出することができる。同様に、ＰＭ検出部３５，３６の両検出結果によれば、０．３〜０．４μｍの粒径範囲のＰＭについてＰＭ付着量を算出でき、その粒径範囲（０．３〜０．４μｍ）の大きさのＰＭを対象に粒子数を算出することができる。
【００７０】
・上記第１の実施形態において、ＰＭ粒子数を算出する処理周期と、ＰＭ付着量を算出する処理周期とを個別に定め、前者の処理周期を後者の処理周期よりも長くする構成において、ＰＭ付着量を算出する場合には、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち１つのみに電圧を印加し（他の２つは印加電圧＝０）、ＰＭ粒子数を算出する場合にのみ、各ＰＭ検出部３４〜３６に対して各々異なる電圧を印加する構成であってもよい。
【００７１】
・上記第１の実施形態では、１つのＰＭセンサ１９を用い、その１つのＰＭセンサ１９が有する複数のＰＭ検出部３４〜３６から各々ＰＭ検出電圧をＥＣＵ２５に入力する構成としたが、これを変更し、複数のＰＭセンサを用い、それら複数のＰＭセンサから各々ＰＭ検出電圧をＥＣＵ２５に入力する構成としてもよい。この場合、ＰＭセンサはそれぞれ１つずつのＰＭ検出部を有するものであればよい（ただし、複数のＰＭ検出部を有するものでもよい）。
【００７２】
・上記第１の実施形態で用いるセンサ素子の構成を以下のように変更してもよい。図９は、センサ素子の別の構成を示す平面図である。なお図９では、説明の便宜上、図２に示すセンサ素子３１と同様の構成については同じ符号を付すとともに、詳細な説明を割愛する。
【００７３】
図９（ａ）に示すセンサ素子６１では、各ＰＭ検出部３４〜３６において各々に検出電極間の間隔が相違しており、ＰＭ検出部３４の検出電極間の間隔ｄ１、ＰＭ検出部３５の検出電極間の間隔ｄ２、ＰＭ検出部３６の検出電極間の間隔ｄ３は、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３の関係となっている。
【００７４】
上記構成によれば、各ＰＭ検出部３４〜３６で検出電極間の間隔が相違していることで、各ＰＭ検出部３４〜３６の検出電極間に生じる電界強度を相違させることができる。したがって、センサ素子６１に付着するＰＭについて、各ＰＭ検出部３４〜３６での付着ＰＭの大きさ（粒径や質量）をそれぞれ異ならせることができる。この場合、各ＰＭ検出部３４〜３６で印加電圧を同一した構成であってもよい。こうして印加電圧を同一にする構成では、電源装置として簡易な構成のものを適用できることとなる。
【００７５】
また、図９（ｂ）に示すセンサ素子６２は、３つのＰＭ検出部３４〜３６に対してヒータ部３７を偏った位置に設けることで、各ＰＭ検出部３４〜３６で温度勾配（温度差）を付けたものである。より具体的には、３つのＰＭ検出部３４〜３６のうち、絶縁基板３２の最も先端側にあるＰＭ検出部３４に対応させてヒータ部３７（発熱部）を配置している。そして、その温度勾配により、各ＰＭ検出部３４〜３６での付着ＰＭの大きさ（粒径や質量）をそれぞれ異ならせるようにしている。
【００７６】
上記構成によれば、ＰＭ検出部３４〜３６ごとにヒータ部３７（発熱部）との距離が相違するため、ヒータ加熱状態において各ＰＭ検出部３４〜３６の温度が各々相違し、その温度の相違により各々異なる空気の対流が生じる。例えば、高温のＰＭ検出部（本実施形態ではＰＭ検出部３４）ほど、空気流の流れが速くなり、大きな対流が生じることとなる。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６では、各自で発生する対流の違いにより、付着するＰＭの大きさが異なることとなる。例えば、対流が大きいＰＭ検出部３４では、比較的大きなＰＭ（質量大となるＰＭ）が捕集され、対流が小さいＰＭ検出部３６では、比較的小さいなＰＭ（質量小となるＰＭ）が捕集される。
【００７７】
図９（ｃ）に示すセンサ素子６３は、３つのＰＭ検出部３４〜３６にそれぞれ対応させて発熱部３７ａ，３７ｂ，３７ｃを設けるとともに、それらの各発熱部３７ａ〜３７ｃにおいて発熱量を相違させることで、各ＰＭ検出部３４〜３６で温度差（温度勾配）を付けたものである。この場合、発熱部３７ａによりＰＭ検出部３４及びその周辺が加熱され、発熱部３７ｂによりＰＭ検出部３５及びその周辺が加熱され、発熱部３７ｃによりＰＭ検出部３６及びその周辺が加熱される。例えば、発熱部３７ａの発熱量Ｑ１、発熱部３７ｂの発熱量Ｑ２、発熱部３７ｃの発熱量Ｑ３は、Ｑ１＞Ｑ２＞Ｑ３の関係となっている。
【００７８】
上記構成によれば、ヒータ加熱状態において各ＰＭ検出部３４〜３６の温度が各々相違し、その温度の相違により各々異なる空気の対流が生じる。例えば、高温のＰＭ検出部（本実施形態ではＰＭ検出部３４）ほど、空気流の流れが速くなり、大きな対流が生じることとなる。このとき、各ＰＭ検出部３４〜３６では、各自で発生する対流の違いにより、付着するＰＭの大きさが異なることとなる。例えば、対流が大きいＰＭ検出部３４では、比較的大きなＰＭ（質量大となるＰＭ）が捕集され、対流が小さいＰＭ検出部３６では、比較的小さいなＰＭ（質量小となるＰＭ）が捕集される。
【００７９】
なお、図９（ｃ）の構成では、同（ｂ）の構成に比べて、各ＰＭ検出部３４〜３６で確実に温度差をつけることができ、各ＰＭ検出部３４〜３６において大きさの違いによる付着ＰＭの振分をより適正に行うことができる。
【００８０】
・上記各実施形態では、ＰＭ粒子の大きさの指標として平均粒子質量［ｍｇ］を用いたが、平均粒径［μｍ］を用いることも可能である。ＰＭ粒子の１個当たりの質量と粒径とはほぼ比例関係にあるため、平均粒子質量を用いることと、平均粒径を用いることとは同義であると言える。
【００８１】
・エンジン排気管にＰＭを捕集するためのＰＭフィルタを設け、その下流側又は上流側の少なくともいずれかにＰＭセンサを設けた構成において、ＰＭセンサの検出値に基づいてＰＭフィルタの再生タイミングを制御する構成としてもよい。また、ＰＭセンサの検出値に基づいてＰＭフィルタの故障診断を実施する構成としてもよい。
【００８２】
・上記実施形態では、直噴式ガソリンエンジンについての適用を例示したが、他の形式のエンジンにも適用できる。例えば、ディーゼルエンジン（特に、直噴式ディーゼルエンジン）に適用することとし、ディーゼルエンジンの排気管に設けられたＰＭセンサについて本発明を用いることも可能である。また、エンジンの排気以外のガスを対象としてＰＭ量を検出するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…燃料噴射弁（燃料噴射手段）、１９…ＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）、２１…回転センサ、２３…燃圧センサ、２４…水温センサ、２５…ＥＣＵ、３２…絶縁基板（被付着部）、３４〜３６…ＰＭ検出部、３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ…検出電極（対向電極）、３７…ヒータ部、４５…マイコン（付着量算出手段、粒子質量設定手段、粒子数算出手段）、５２…絶縁基板（被付着部）、５４…ＰＭ検出部、５４ａ，５４ｂ…検出電極（対向電極）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に設けられた一対の対向電極からなる検出部とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用されるセンサ制御装置であり、
前記粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出する付着量算出手段と、
前記被付着部に付着した粒子状物質の粒子１個当たりの平均粒子質量として各々異なる複数の平均粒子質量を設定可能であり、そのうちいずれかの平均粒子質量を設定する粒子質量設定手段と、
前記付着量算出手段により算出した前記粒子状物質の付着量と、前記粒子質量設定手段により設定した平均粒子質量とに基づいて、前記粒子状物質の粒子数を算出する粒子数算出手段と、
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項２】
複数の前記検出部における検出結果が各々検出信号として入力されるセンサ制御装置であって、
前記複数の検出部は、付着する粒子状物質の大きさの範囲が各々異なるものであり、
前記粒子質量設定手段は、前記複数の検出部ごとに前記平均粒子質量を設定し、
前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部ごとの前記粒子状物質の付着量と前記平均粒子質量とに基づいて、前記複数の検出部ごとに前記粒子状物質の粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中の粒子状物質の粒子数を算出する請求項１に記載のセンサ制御装置。
【請求項３】
前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれる粒子状物質の大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲の粒子状物質について粒子数を算出する請求項２に記載のセンサ制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、
前記粒子質量設定手段は、前記運転状態検出手段により検出した機関運転状態に基づいて前記粒子状物質の平均粒子質量を設定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は、燃料噴射手段により燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射式内燃機関であり、
前記運転状態検出手段は、前記運転状態として、前記燃料噴射手段から噴射される燃料粒径の決定要因となる機関運転状態を検出し、
前記粒子質量設定手段は、前記燃料粒径が大きくなる機関運転状態では前記燃料粒径が小さくなる機関運転状態に比べて前記平均粒子質量を大きい値に設定する請求項４に記載のセンサ制御装置。
【請求項６】
前記運転状態検出手段は、前記運転状態として前記内燃機関の回転速度を検出し、
前記粒子質量設定手段は、前記検出した内燃機関の回転速度が高いほど、前記平均粒子質量を大きい値に設定する請求項４又は５に記載のセンサ制御装置。
【請求項１】
内燃機関から排出される排気中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に設けられた一対の対向電極からなる検出部とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用されるセンサ制御装置であり、
前記粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出する付着量算出手段と、
前記被付着部に付着した粒子状物質の粒子１個当たりの平均粒子質量として各々異なる複数の平均粒子質量を設定可能であり、そのうちいずれかの平均粒子質量を設定する粒子質量設定手段と、
前記付着量算出手段により算出した前記粒子状物質の付着量と、前記粒子質量設定手段により設定した平均粒子質量とに基づいて、前記粒子状物質の粒子数を算出する粒子数算出手段と、
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項２】
複数の前記検出部における検出結果が各々検出信号として入力されるセンサ制御装置であって、
前記複数の検出部は、付着する粒子状物質の大きさの範囲が各々異なるものであり、
前記粒子質量設定手段は、前記複数の検出部ごとに前記平均粒子質量を設定し、
前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部ごとの前記粒子状物質の付着量と前記平均粒子質量とに基づいて、前記複数の検出部ごとに前記粒子状物質の粒子数を算出するとともに、それらの各算出結果に基づいて、排気中の粒子状物質の粒子数を算出する請求項１に記載のセンサ制御装置。
【請求項３】
前記粒子数算出手段は、前記複数の検出部のいずれかの検出結果に基づいて、排気中に含まれる粒子状物質の大きさの全範囲のうち一部となる一部範囲の粒子状物質について粒子数を算出する請求項２に記載のセンサ制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、
前記粒子質量設定手段は、前記運転状態検出手段により検出した機関運転状態に基づいて前記粒子状物質の平均粒子質量を設定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は、燃料噴射手段により燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射式内燃機関であり、
前記運転状態検出手段は、前記運転状態として、前記燃料噴射手段から噴射される燃料粒径の決定要因となる機関運転状態を検出し、
前記粒子質量設定手段は、前記燃料粒径が大きくなる機関運転状態では前記燃料粒径が小さくなる機関運転状態に比べて前記平均粒子質量を大きい値に設定する請求項４に記載のセンサ制御装置。
【請求項６】
前記運転状態検出手段は、前記運転状態として前記内燃機関の回転速度を検出し、
前記粒子質量設定手段は、前記検出した内燃機関の回転速度が高いほど、前記平均粒子質量を大きい値に設定する請求項４又は５に記載のセンサ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５２８１１（Ｐ２０１２−５２８１１Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９３１００（Ｐ２０１０−１９３１００）
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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