粒子状物質処理装置
【課題】電極に凝縮水が付着していることを高精度に検出する。
【解決手段】電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、電極に接続され電圧を印加する電源と、電極を通る電流を検出する電流検出装置と、電極に電圧を印加したときに検出される電流に基づいて電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、リッチ空燃比の場合には判定装置による判定を禁止する禁止装置と、を備える。
【解決手段】電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、電極に接続され電圧を印加する電源と、電極を通る電流を検出する電流検出装置と、電極に電圧を印加したときに検出される電流に基づいて電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、リッチ空燃比の場合には判定装置による判定を禁止する禁止装置と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電電極を通る電流が所定値以上のときに、該放電電極に粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）が付着していると判定し、放電電極からＰＭを除去するために印加電圧を増加させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、電極から付着物を除去することを、電極の再生という。
【０００３】
また、機関始動直後に排気管内に発生した凝縮水がセンサ電極部に付着することによるこのセンサ電極部の静電容量の変化に基づいて、ＰＭセンサの故障を判定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることによりＰＭを帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。ＰＭを凝集させることにより、ＰＭの粒子数を減少させることができる。また、ＰＭの粒子径が大きくなるため、下流側にフィルタを設けたときに該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。
【０００５】
ここで、排気中に含まれる水が凝縮して電極に付着すると、凝縮水を介して電極と排気通路との間に電気が流れる。このときには、電流が増加するため、該電流に基づいて電極に凝縮水が付着していることを判定できる。しかし、排気中に含まれる物質を介しても電気が流れる。したがって、電極を通る電流に基づいて電極に凝縮水が付着しているか否か判定すると、排気中に含まれる物質により判定精度が低くなる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０５０８１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７５９１７号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、電極に凝縮水が付着していることを高精度に検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために本発明による粒子状物質処理装置は、
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記電極を通る電流を検出する電流検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記電流検出装置により検出される電流に基づいて前記電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、
前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合には、前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備える。
【０００９】
ここで、電極に電圧を印加すると、ＰＭを帯電させることができる。帯電したＰＭは、クーロン力や排気の流れにより処理部の内壁へ向かって移動する。処理部の内壁に到達したＰＭは、処理部に電子を放出するため、電極よりも接地側に電気が流れる。そして、電子を放出したＰＭは、近くに存在する他のＰＭと凝集するため、粒子数を減少させることができる。
【００１０】
ところで、電極に水が付着すると、排気中に浮遊しているＰＭを帯電させることが困難となるので、ＰＭを凝集させることが困難となる。このため、電極に付着した水を除去する処理が行われる。たとえば電極の温度を上昇させることにより水を蒸発させることができる。
【００１１】
ここで、電極に付着した水などの物質を介して電極と排気通路との間に電気が流れると、電流検出装置により検出される電流が大きくなる。したがって、この電流の増加により電極に水が付着しているか否か（電極が被水したか否か）判定することが可能となる。
【００１２】
しかし、排気中に未燃燃料であるＨＣまたはＣＯなどが含まれると、該未燃燃料などがキャリアとなるため、電極に電圧を印加したときに未燃燃料などを介して電流が通る。この電流は、電流検出装置において検出される。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、排気中に多くの未燃燃料が含まれるため、電流検出装置により検出される電流が非常に大きくなる。
【００１３】
すなわち、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、電流検出装置により検出される電流が大きくなるため、電極に付着している水を介して電気が流れている場合と区別し難い。したがって、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、判定装置による判定を禁止する。なお、電極に付着している水を除去する処理を行わないとしてもよい。また、電流検出装置により検出される電流以外の物理量を検出することで電極が被水したか否か判定してもよい。これにより、必要がないのにもかかわらず、電極から水を除去する処理が行われることを抑制できる。このため、たとえば、必要のないときに電極の温度を上昇させることがなくなるため、燃費を向上させることができる。
【００１４】
本発明においては、前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
を備え、
前記電流検出装置は、前記接地部にて電流を検出することができる。
【００１５】
なお、電流検出装置は、電極よりも電位の基準点側において電流を検出している。一般に、電極より電源側では、電極より接地側よりも、配線が長かったり、配線を太くしたりする。また、電極よりも電源側では電荷が蓄えられることもある。そうすると、仮に電極よりも電源側において電流を検出した場合には、電極において強い放電が発生しても、そのときに電流検出装置により検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。一方、電極より接地側では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、電流をより正確に検出することができる。また、絶縁部を備えることにより、接地部以外に電気が流れることを抑制できる。このため、電流をより正確に検出することができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記判定装置は、前記電流検出装置により検出される電流が閾値以上のときに前記電極に水が付着していると判定することができる。
【００１７】
この閾値は、電極に付着している水を介して電気が流れるときに検出される電流の下限
値である。電極に付着している水を介して通る電流は、排気中に浮遊しているＰＭを凝集するときに通る電流よりも大きい。このため、検出電流が大きくなり閾値以上となったときに電極に付着している水を介して電気が流れていると判定できる。このときには、電極から水を除去する処理を行うと判定することができる。しかし、排気の空燃比がリッチ空燃比となると、未燃燃料の影響で電流が閾値以上となり得る。この場合、電極に水が付着していないにもかかわらず、電極に水が付着していると判定される虞がある。これに対し、リッチ空燃比の場合には、判定装置による判定を禁止することで、誤判定を抑制できる。なお、電流検出装置により検出される電流は、排気中のＰＭの粒子数によっても変化するため、閾値を排気中の粒子数に応じて変更してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電極に凝縮水が付着していることを高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施例に係る水除去処理時期を判定するためのフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本実施例に係る粒子状物質処理装置１の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置１は、火花点火式のガソリン機関の排気通路２に設けられる。
【００２２】
粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。
【００２３】
排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間に電気が流れないようにしている。
【００２４】
ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。そして、上流側でさらにハウジング３の側面側へ折れ曲がり、該ハウジング３の側面を貫通して外部へ通じている。
【００２５】
そして、電極５とハウジング３との間に電気が流れないように、電極５には電気の絶縁体からなる碍子部５１，５５が設けられている。この碍子部５１，５５は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。
【００２６】
そして、電極５の一端は、電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。また、電源６には、電位の基準点に接続するための接地電線５４が接続されている。この接地電線５４により電源６が接地される。
【００２７】
また、電極５の他端は、短絡電線５６を介して接地電線５４に接続されている。短絡電線５６の途中には、回路を開閉するためのスイッチ５７が設けられている。電源６により電圧を印加しているときにスイッチ５７をＯＮとすることにより、短絡電線５６を電気が流れる。このときには、電極５が短絡している状態となるため、該電極５の温度が上昇する。なお、本実施例では、下流側の碍子部５１に電源側電線５２を接続し、上流側の碍子部５５に短絡電線５６を接続しているが、これに代えて、下流側の碍子部５１に短絡電線５６を接続し、上流側の碍子部５５に電源側電線５２を接続してもよい。
【００２８】
また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。そして、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。なお、電源側電線５２よりも接地側電線５３のほうが電気的な容量が小さいため、接地側電線５３に検出装置９を設けたほうが電流を検出するときの応答性が高い。なお、本実施例おいては検出装置９が、本発明における電流検出装置に相当する。
【００２９】
そして、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４、空燃比センサ７５が接続されている。アクセル開度センサ７１は、内燃機関が搭載されている車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、機関回転数を検出する。温度センサ７３は、内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、内燃機関の吸入空気量を検出する。空燃比センサ７５は、ハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けられ、該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する。なお、本実施例においては空燃比センサ７５が、本発明における空燃比検出装置に相当する。また、排気の空燃比は、内燃機関の運転状態から推定してもよい。
【００３０】
また、制御装置７には、スイッチ５７が電線を介して接続されており、制御装置７はスイッチ５７のＯＮ−ＯＦＦ操作を行う。ここで、電源６から電極５へ電圧が印加されているときにスイッチをＯＮとすることで、短絡電線５６に電流が通る。一方、スイッチをＯＦＦとすることで、短絡電線５６には電流が通らなくなる。
【００３１】
このように構成された粒子状物質処理装置１では、スイッチ５７がＯＦＦのときに電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出される。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３へと放出される。ハウジング３へ電子を放出したＰＭは凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、ＰＭの粒子数は低減する。すなわち、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つＰＭの粒子数を低減させることができる。
【００３２】
ところで、碍子部５１を含む電極５に、排気通路２内で凝縮した水が付着すると、電極５の絶縁性が低下する。そして、この水を介して電極５とハウジング３との間に電気が流れ得る。そうすると、電極５から放出される電子が減少するため、排気中に浮遊しているＰＭを帯電させることが困難となり、ＰＭを凝集させることが困難となる。このため、電極５から水を除去する処理（以下、水除去処理という。）を実施する。
【００３３】
ここで、水除去処理とは、碍子部５１を含む電極５に付着している水を除去するための処理である。本実施例では、スイッチ５７をＯＮとしつつ電源６から電圧を印加することにより水除去処理を行う。すなわち、電極５を短絡させることにより、該電極５の温度を上昇させて水を蒸発させて除去する。
【００３４】
そして、電極５に水が付着していることを検出装置９により検出される電流に基づいて判定し、電極５に水が付着していると判定される場合に、水除去処理を行う。すなわち、電極５とハウジング３との間に電気が流れていることを検出装置９により検出される電流に基づいて判定する。ここで、電極５とハウジング３との間に水を介して電気が流れていないときには、排気中に浮遊するＰＭ量に応じて電流が変化する。このときに検出される電流は、比較的小さい。一方、電極５に付着している水を介して電流が通るときに検出される電流は、比較的大きい。したがって、検出装置９により検出される電流に閾値を設定しておき、検出電流が閾値以上の場合に水除去処理が必要であると判定する。閾値は、電極５に付着している水を介して電流が通るときの検出電流の下限値として予め実験等により求めておく。また、閾値は、排気中のＰＭの粒子数に応じて変更してもよい。ＰＭの粒子数は、たとえばセンサにより検出することができる。
【００３５】
ところで、排気中にＨＣやＣＯなどの未燃燃料が含まれていると、電極５へ電圧を印加したときに未燃燃料が電子のキャリアとなってイオン電流が流れる。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比となると、排気中の未燃燃料の量が増大し、イオン電流が増加するため、検出電流が大きくなる。そして、未燃燃料によるイオン電流は、ＰＭを凝集するときにＰＭを介して通る電流よりもはるかに大きい。
【００３６】
そうすると、排気の空燃比がリッチ空燃比のときに、水除去処理が必要か否かの判定を行うと、水除去処理が実際には必要なくても必要であると判定される虞がある。すなわち、未燃燃料の増加により検出電流が増加して閾値以上となる場合もある。この場合には、水除去処理は必要ない。しかし、検出電流と閾値とを比較するだけでは、電極５に付着している水を介して電流が通っているのか、または未燃燃料の増加により検出電流が増加しているのか区別することが困難である。
【００３７】
そこで本実施例では、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、水除去処理を行うか否かの判定を禁止する。なお、水除去処理を禁止するとしてもよい。
【００３８】
なお、本実施例では絶縁部４を備えているため、排気通路２へ電気が通ることが抑制される。したがって、電極５の付着物、排気中に浮遊するＰＭ、及び未燃燃料を介してハウジング３へ通る電流は、検出装置９により検出される。また、接地側電線５３において電流を検出することで、電流の検出精度を高めることができる。一般に、接地側電線５３よりも、電源側電線５２のほうの、配線が長かったり、配線を太くしたりする。そうすると、仮に電源側電線５２において電流を検出した場合には、実際の電流の変化に対して検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、電流の検出精度が低くなる虞がある。
【００３９】
一方、接地側電線５３では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため
、接地側電線５３において電流を検出したほうが、実際の電流の変化に対する応答性が高い。したがって、接地側電線５３において電流を検出することで、より正確に電流を検出することができる。
【００４０】
次に、図２は、本実施例に係る水除去処理時期を判定するためのフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００４１】
ステップＳ１０１では、内燃機関の運転状態が取得される。たとえば、機関回転数、機関負荷、排気の空燃比など、これ以降の処理に必要となる値が読み込まれる。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、排気の空燃比は、空燃比センサ７５により検出される。なお、排気の空燃比は、機関回転数、機関負荷、内燃機関の温度などから推定することもできる。また、内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）を温度センサ７３により検出する。
【００４２】
ステップＳ１０２では、電極５への印加電圧が算出される。印加電圧は、推定されるＰＭ粒子数（個／ｃｍ３）に応じて設定する。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップを内燃機関の温度に応じて複数記憶しておき、該マップに基づいてＰＭ粒子数を算出してもよい。
【００４３】
なお、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を検出してもよい。
【００４４】
そして、該ＰＭ粒子数及び内燃機関の排出ガス量（ｇ／ｓｅｃ）に基づいて印加電圧を算出する。この関係は予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。内燃機関の排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
【００４５】
ここで、排出ガス量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、ＰＭが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、ＰＭ粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。
【００４６】
また、印加電圧は、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような値としてもよい。また、印加電圧を予め定めておいた規定値としてもよい。
【００４７】
そして、印加電圧が算出された後、この電圧を印加して、ステップＳ１０３へ進み、電流が検出される。この電流は、検出装置９により検出される値である。
【００４８】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１で取得された排気の空燃比がリッチ空燃比であるか否か判定する。本ステップでは、排気中に未燃燃料が多く含まれているか否か判定している。
【００４９】
そして、ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。
【００５０】
ステップＳ１０５では、水除去処理を行うか否かの判定を禁止する。すなわち、未燃燃料の影響で正確な判定を行うことができないため、判定を禁止する。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を処理する制御装置７が、本発明における禁止装置に相当する。
【００５１】
一方、ステップＳ１０６では、水除去処理を行うか否かの判定を許可する。そして、水除去処理を行うか否か判定を行い、必要に応じて水除去処理を行う。なお、本実施例においてはステップＳ１０６を処理する制御装置７が、本発明における判定装置に相当する。
【００５２】
このように、リッチ空燃比のときには、水除去処理を行うか否かの判定を禁止するため、必要のないときに水除去処理が行われることを抑制できる。このため、電極５に凝縮水が付着していることを高精度に検出することができる。また、水除去処理を行う時期の適正化を図ることができる。これにより、燃費の悪化を抑制できる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 粒子状物質処理装置
２ 排気通路
３ ハウジング
４ 絶縁部
５ 電極
６ 電源
７ 制御装置
８ バッテリ
９ 検出装置
２１ フランジ
３１ フランジ
５１ 碍子部
５２ 電源側電線
５３ 接地側電線
５４ 接地電線
５５ 碍子部
５６ 短絡電線
５７ スイッチ
７１ アクセル開度センサ
７２ クランクポジションセンサ
７３ 温度センサ
７４ エアフローメータ
７５ 空燃比センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電電極を通る電流が所定値以上のときに、該放電電極に粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）が付着していると判定し、放電電極からＰＭを除去するために印加電圧を増加させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、電極から付着物を除去することを、電極の再生という。
【０００３】
また、機関始動直後に排気管内に発生した凝縮水がセンサ電極部に付着することによるこのセンサ電極部の静電容量の変化に基づいて、ＰＭセンサの故障を判定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることによりＰＭを帯電させてＰＭを凝集させる技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。ＰＭを凝集させることにより、ＰＭの粒子数を減少させることができる。また、ＰＭの粒子径が大きくなるため、下流側にフィルタを設けたときに該フィルタにてＰＭを捕集しやすくなる。
【０００５】
ここで、排気中に含まれる水が凝縮して電極に付着すると、凝縮水を介して電極と排気通路との間に電気が流れる。このときには、電流が増加するため、該電流に基づいて電極に凝縮水が付着していることを判定できる。しかし、排気中に含まれる物質を介しても電気が流れる。したがって、電極を通る電流に基づいて電極に凝縮水が付着しているか否か判定すると、排気中に含まれる物質により判定精度が低くなる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０５０８１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７５９１７号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、電極に凝縮水が付着していることを高精度に検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために本発明による粒子状物質処理装置は、
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記電極を通る電流を検出する電流検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記電流検出装置により検出される電流に基づいて前記電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、
前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合には、前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備える。
【０００９】
ここで、電極に電圧を印加すると、ＰＭを帯電させることができる。帯電したＰＭは、クーロン力や排気の流れにより処理部の内壁へ向かって移動する。処理部の内壁に到達したＰＭは、処理部に電子を放出するため、電極よりも接地側に電気が流れる。そして、電子を放出したＰＭは、近くに存在する他のＰＭと凝集するため、粒子数を減少させることができる。
【００１０】
ところで、電極に水が付着すると、排気中に浮遊しているＰＭを帯電させることが困難となるので、ＰＭを凝集させることが困難となる。このため、電極に付着した水を除去する処理が行われる。たとえば電極の温度を上昇させることにより水を蒸発させることができる。
【００１１】
ここで、電極に付着した水などの物質を介して電極と排気通路との間に電気が流れると、電流検出装置により検出される電流が大きくなる。したがって、この電流の増加により電極に水が付着しているか否か（電極が被水したか否か）判定することが可能となる。
【００１２】
しかし、排気中に未燃燃料であるＨＣまたはＣＯなどが含まれると、該未燃燃料などがキャリアとなるため、電極に電圧を印加したときに未燃燃料などを介して電流が通る。この電流は、電流検出装置において検出される。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、排気中に多くの未燃燃料が含まれるため、電流検出装置により検出される電流が非常に大きくなる。
【００１３】
すなわち、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、電流検出装置により検出される電流が大きくなるため、電極に付着している水を介して電気が流れている場合と区別し難い。したがって、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、判定装置による判定を禁止する。なお、電極に付着している水を除去する処理を行わないとしてもよい。また、電流検出装置により検出される電流以外の物理量を検出することで電極が被水したか否か判定してもよい。これにより、必要がないのにもかかわらず、電極から水を除去する処理が行われることを抑制できる。このため、たとえば、必要のないときに電極の温度を上昇させることがなくなるため、燃費を向上させることができる。
【００１４】
本発明においては、前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
を備え、
前記電流検出装置は、前記接地部にて電流を検出することができる。
【００１５】
なお、電流検出装置は、電極よりも電位の基準点側において電流を検出している。一般に、電極より電源側では、電極より接地側よりも、配線が長かったり、配線を太くしたりする。また、電極よりも電源側では電荷が蓄えられることもある。そうすると、仮に電極よりも電源側において電流を検出した場合には、電極において強い放電が発生しても、そのときに電流検出装置により検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。一方、電極より接地側では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、電流をより正確に検出することができる。また、絶縁部を備えることにより、接地部以外に電気が流れることを抑制できる。このため、電流をより正確に検出することができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記判定装置は、前記電流検出装置により検出される電流が閾値以上のときに前記電極に水が付着していると判定することができる。
【００１７】
この閾値は、電極に付着している水を介して電気が流れるときに検出される電流の下限
値である。電極に付着している水を介して通る電流は、排気中に浮遊しているＰＭを凝集するときに通る電流よりも大きい。このため、検出電流が大きくなり閾値以上となったときに電極に付着している水を介して電気が流れていると判定できる。このときには、電極から水を除去する処理を行うと判定することができる。しかし、排気の空燃比がリッチ空燃比となると、未燃燃料の影響で電流が閾値以上となり得る。この場合、電極に水が付着していないにもかかわらず、電極に水が付着していると判定される虞がある。これに対し、リッチ空燃比の場合には、判定装置による判定を禁止することで、誤判定を抑制できる。なお、電流検出装置により検出される電流は、排気中のＰＭの粒子数によっても変化するため、閾値を排気中の粒子数に応じて変更してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電極に凝縮水が付着していることを高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例に係る粒子状物質処理装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施例に係る水除去処理時期を判定するためのフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本実施例に係る粒子状物質処理装置１の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置１は、火花点火式のガソリン機関の排気通路２に設けられる。
【００２２】
粒子状物質処理装置１は、両端が排気通路２に接続されているハウジング３を備えて構成される。ハウジング３の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング３は、排気通路２よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング３の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図１においては、排気が排気通路２を矢印の方向に流れて、ハウジング３内に流入する。このため、ハウジング３は排気通路２の一部としてもよい。
【００２３】
排気通路２とハウジング３とは、絶縁部４を介して接続されている。絶縁部４は、電気の絶縁体からなる。絶縁部４は、排気通路２の端部に形成されるフランジ２１と、ハウジング３の端部に形成されるフランジ３１と、に挟まれる。排気通路２とハウジング３とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路２とハウジング３との間に電気が流れないようにしている。
【００２４】
ハウジング３には、電極５が取り付けられている。電極５は、ハウジング３の側面を貫通しており、該ハウジング３の側面から該ハウジング３の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。そして、上流側でさらにハウジング３の側面側へ折れ曲がり、該ハウジング３の側面を貫通して外部へ通じている。
【００２５】
そして、電極５とハウジング３との間に電気が流れないように、電極５には電気の絶縁体からなる碍子部５１，５５が設けられている。この碍子部５１，５５は、電極５とハウジング３との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極５をハウジング３に固定するための機能を有する。
【００２６】
そして、電極５の一端は、電源側電線５２を介して電源６に接続されている。電源６は、電極５へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源６は、電線を介して制御装置７及びバッテリ８に接続されている。制御装置７は、電源６が電極５に印加する電圧を制御する。また、電源６には、電位の基準点に接続するための接地電線５４が接続されている。この接地電線５４により電源６が接地される。
【００２７】
また、電極５の他端は、短絡電線５６を介して接地電線５４に接続されている。短絡電線５６の途中には、回路を開閉するためのスイッチ５７が設けられている。電源６により電圧を印加しているときにスイッチ５７をＯＮとすることにより、短絡電線５６を電気が流れる。このときには、電極５が短絡している状態となるため、該電極５の温度が上昇する。なお、本実施例では、下流側の碍子部５１に電源側電線５２を接続し、上流側の碍子部５５に短絡電線５６を接続しているが、これに代えて、下流側の碍子部５１に短絡電線５６を接続し、上流側の碍子部５５に電源側電線５２を接続してもよい。
【００２８】
また、ハウジング３には接地側電線５３が接続されており、該ハウジング３は接地側電線５３を介して接地されている。接地側電線５３には、該接地側電線５３を通る電流を検出する検出装置９が設けられている。検出装置９は、例えば、接地側電線５３の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置９は、電線を介して制御装置７に接続されている。そして、検出装置９により検出される電流が制御装置７に入力される。なお、電源側電線５２よりも接地側電線５３のほうが電気的な容量が小さいため、接地側電線５３に検出装置９を設けたほうが電流を検出するときの応答性が高い。なお、本実施例おいては検出装置９が、本発明における電流検出装置に相当する。
【００２９】
そして、制御装置７には、アクセル開度センサ７１、クランクポジションセンサ７２、温度センサ７３、エアフローメータ７４、空燃比センサ７５が接続されている。アクセル開度センサ７１は、内燃機関が搭載されている車両の運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ７２は、機関回転数を検出する。温度センサ７３は、内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ７４は、内燃機関の吸入空気量を検出する。空燃比センサ７５は、ハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けられ、該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する。なお、本実施例においては空燃比センサ７５が、本発明における空燃比検出装置に相当する。また、排気の空燃比は、内燃機関の運転状態から推定してもよい。
【００３０】
また、制御装置７には、スイッチ５７が電線を介して接続されており、制御装置７はスイッチ５７のＯＮ−ＯＦＦ操作を行う。ここで、電源６から電極５へ電圧が印加されているときにスイッチをＯＮとすることで、短絡電線５６に電流が通る。一方、スイッチをＯＦＦとすることで、短絡電線５６には電流が通らなくなる。
【００３１】
このように構成された粒子状物質処理装置１では、スイッチ５７がＯＦＦのときに電源６から電極５へ負の直流高電圧を印加することで、該電極５から電子が放出される。すなわち、ハウジング３よりも電極５のほうの電位を低くすることで、電極５から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のＰＭを負に帯電させることができる。負に帯電したＰＭは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、ＰＭがハウジング３へ到達すると、ＰＭを負に帯電させた電子は該ハウジング３へと放出される。ハウジング３へ電子を放出したＰＭは凝集して粒子径が大きくなる。また、ＰＭが凝集することで、ＰＭの粒子数は低減する。すなわち、電極５へ電圧を印加することで、ＰＭの粒子径を大きくし且つＰＭの粒子数を低減させることができる。
【００３２】
ところで、碍子部５１を含む電極５に、排気通路２内で凝縮した水が付着すると、電極５の絶縁性が低下する。そして、この水を介して電極５とハウジング３との間に電気が流れ得る。そうすると、電極５から放出される電子が減少するため、排気中に浮遊しているＰＭを帯電させることが困難となり、ＰＭを凝集させることが困難となる。このため、電極５から水を除去する処理（以下、水除去処理という。）を実施する。
【００３３】
ここで、水除去処理とは、碍子部５１を含む電極５に付着している水を除去するための処理である。本実施例では、スイッチ５７をＯＮとしつつ電源６から電圧を印加することにより水除去処理を行う。すなわち、電極５を短絡させることにより、該電極５の温度を上昇させて水を蒸発させて除去する。
【００３４】
そして、電極５に水が付着していることを検出装置９により検出される電流に基づいて判定し、電極５に水が付着していると判定される場合に、水除去処理を行う。すなわち、電極５とハウジング３との間に電気が流れていることを検出装置９により検出される電流に基づいて判定する。ここで、電極５とハウジング３との間に水を介して電気が流れていないときには、排気中に浮遊するＰＭ量に応じて電流が変化する。このときに検出される電流は、比較的小さい。一方、電極５に付着している水を介して電流が通るときに検出される電流は、比較的大きい。したがって、検出装置９により検出される電流に閾値を設定しておき、検出電流が閾値以上の場合に水除去処理が必要であると判定する。閾値は、電極５に付着している水を介して電流が通るときの検出電流の下限値として予め実験等により求めておく。また、閾値は、排気中のＰＭの粒子数に応じて変更してもよい。ＰＭの粒子数は、たとえばセンサにより検出することができる。
【００３５】
ところで、排気中にＨＣやＣＯなどの未燃燃料が含まれていると、電極５へ電圧を印加したときに未燃燃料が電子のキャリアとなってイオン電流が流れる。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比となると、排気中の未燃燃料の量が増大し、イオン電流が増加するため、検出電流が大きくなる。そして、未燃燃料によるイオン電流は、ＰＭを凝集するときにＰＭを介して通る電流よりもはるかに大きい。
【００３６】
そうすると、排気の空燃比がリッチ空燃比のときに、水除去処理が必要か否かの判定を行うと、水除去処理が実際には必要なくても必要であると判定される虞がある。すなわち、未燃燃料の増加により検出電流が増加して閾値以上となる場合もある。この場合には、水除去処理は必要ない。しかし、検出電流と閾値とを比較するだけでは、電極５に付着している水を介して電流が通っているのか、または未燃燃料の増加により検出電流が増加しているのか区別することが困難である。
【００３７】
そこで本実施例では、排気の空燃比がリッチ空燃比の場合には、水除去処理を行うか否かの判定を禁止する。なお、水除去処理を禁止するとしてもよい。
【００３８】
なお、本実施例では絶縁部４を備えているため、排気通路２へ電気が通ることが抑制される。したがって、電極５の付着物、排気中に浮遊するＰＭ、及び未燃燃料を介してハウジング３へ通る電流は、検出装置９により検出される。また、接地側電線５３において電流を検出することで、電流の検出精度を高めることができる。一般に、接地側電線５３よりも、電源側電線５２のほうの、配線が長かったり、配線を太くしたりする。そうすると、仮に電源側電線５２において電流を検出した場合には、実際の電流の変化に対して検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、電流の検出精度が低くなる虞がある。
【００３９】
一方、接地側電線５３では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため
、接地側電線５３において電流を検出したほうが、実際の電流の変化に対する応答性が高い。したがって、接地側電線５３において電流を検出することで、より正確に電流を検出することができる。
【００４０】
次に、図２は、本実施例に係る水除去処理時期を判定するためのフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置７により所定の時間毎に繰り返し実行される。
【００４１】
ステップＳ１０１では、内燃機関の運転状態が取得される。たとえば、機関回転数、機関負荷、排気の空燃比など、これ以降の処理に必要となる値が読み込まれる。機関回転数は、クランクポジションセンサ７２により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ７１により検出される。また、排気の空燃比は、空燃比センサ７５により検出される。なお、排気の空燃比は、機関回転数、機関負荷、内燃機関の温度などから推定することもできる。また、内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）を温度センサ７３により検出する。
【００４２】
ステップＳ１０２では、電極５への印加電圧が算出される。印加電圧は、推定されるＰＭ粒子数（個／ｃｍ３）に応じて設定する。このＰＭ粒子数は、内燃機関から排出されるＰＭ粒子数であり、ハウジング３に流入する前のＰＭ粒子数である。ＰＭ粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度（たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度）と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。機関回転数と機関負荷とから、ＰＭ粒子数を算出するためのマップを内燃機関の温度に応じて複数記憶しておき、該マップに基づいてＰＭ粒子数を算出してもよい。
【００４３】
なお、ＰＭ粒子数を検出するセンサをハウジング３よりも上流側の排気通路２に取り付けて、該センサによりＰＭ粒子数を検出してもよい。
【００４４】
そして、該ＰＭ粒子数及び内燃機関の排出ガス量（ｇ／ｓｅｃ）に基づいて印加電圧を算出する。この関係は予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。内燃機関の排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ７４により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
【００４５】
ここで、排出ガス量が少ないほど、ＰＭの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、ＰＭが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、ＰＭ粒子数が多いほど、ＰＭ粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためＰＭ粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でＰＭが凝集する。このため、ＰＭ粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。
【００４６】
また、印加電圧は、たとえば、ＰＭ粒子数の低減率が所定値（たとえば４０％）となるような値としてもよい。また、印加電圧を予め定めておいた規定値としてもよい。
【００４７】
そして、印加電圧が算出された後、この電圧を印加して、ステップＳ１０３へ進み、電流が検出される。この電流は、検出装置９により検出される値である。
【００４８】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１で取得された排気の空燃比がリッチ空燃比であるか否か判定する。本ステップでは、排気中に未燃燃料が多く含まれているか否か判定している。
【００４９】
そして、ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。
【００５０】
ステップＳ１０５では、水除去処理を行うか否かの判定を禁止する。すなわち、未燃燃料の影響で正確な判定を行うことができないため、判定を禁止する。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を処理する制御装置７が、本発明における禁止装置に相当する。
【００５１】
一方、ステップＳ１０６では、水除去処理を行うか否かの判定を許可する。そして、水除去処理を行うか否か判定を行い、必要に応じて水除去処理を行う。なお、本実施例においてはステップＳ１０６を処理する制御装置７が、本発明における判定装置に相当する。
【００５２】
このように、リッチ空燃比のときには、水除去処理を行うか否かの判定を禁止するため、必要のないときに水除去処理が行われることを抑制できる。このため、電極５に凝縮水が付着していることを高精度に検出することができる。また、水除去処理を行う時期の適正化を図ることができる。これにより、燃費の悪化を抑制できる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 粒子状物質処理装置
２ 排気通路
３ ハウジング
４ 絶縁部
５ 電極
６ 電源
７ 制御装置
８ バッテリ
９ 検出装置
２１ フランジ
３１ フランジ
５１ 碍子部
５２ 電源側電線
５３ 接地側電線
５４ 接地電線
５５ 碍子部
５６ 短絡電線
５７ スイッチ
７１ アクセル開度センサ
７２ クランクポジションセンサ
７３ 温度センサ
７４ エアフローメータ
７５ 空燃比センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記電極を通る電流を検出する電流検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記電流検出装置により検出される電流に基づいて前記電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、
前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合には、前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備える粒子状物質処理装置。
【請求項２】
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
を備え、
前記電流検出装置は、前記接地部にて電流を検出する請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
【請求項３】
前記判定装置は、前記電流検出装置により検出される電流が閾値以上のときに前記電極に水が付着していると判定する請求項１または２に記載の粒子状物質処理装置。
【請求項１】
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでＰＭを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記電極を通る電流を検出する電流検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記電流検出装置により検出される電流に基づいて前記電極に水が付着しているか否か判定する判定装置と、
前記排気通路を流れる排気の空燃比を検出または推定する空燃比検出装置と、
前記空燃比検出装置により検出または推定される空燃比がリッチ空燃比の場合には、前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備える粒子状物質処理装置。
【請求項２】
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
を備え、
前記電流検出装置は、前記接地部にて電流を検出する請求項１に記載の粒子状物質処理装置。
【請求項３】
前記判定装置は、前記電流検出装置により検出される電流が閾値以上のときに前記電極に水が付着していると判定する請求項１または２に記載の粒子状物質処理装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１９３７００（Ｐ２０１２−１９３７００Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９３６３（Ｐ２０１１−５９３６３）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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