粒子状物質検出センサ
【課題】排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、検出精度が低下するのを防止し、安定したセンサ出力を得る。
【解決手段】エンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに装着されるＰＭセンサ１のガスセンサ素子１０を、検出用電極１１、１２を有する検出部１００にヒータ部３００を積層して構成する。制御回路２は、始動時にヒータ部３００へ通電して検出部１００の温度を微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持する始動時燃焼制御を実施し、その後通常時制御を行い、微粒子状物質ＰＭの残留による誤検出を防止する。
【解決手段】エンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに装着されるＰＭセンサ１のガスセンサ素子１０を、検出用電極１１、１２を有する検出部１００にヒータ部３００を積層して構成する。制御回路２は、始動時にヒータ部３００へ通電して検出部１００の温度を微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持する始動時燃焼制御を実施し、その後通常時制御を行い、微粒子状物質ＰＭの残留による誤検出を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用内燃機関の排気浄化システムにおいて、排出ガス中に存在する微粒子状物質の量を検出する、電気抵抗式の粒子状物質検出センサに関するもので、例えば、微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの異常検出に有効である。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする微粒子状物質（Particulate Matter；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排気ガスを通過させてＰＭを捕捉する。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて負圧が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりするおそれがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。再生時期の判断には、例えば、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用することができ、差圧センサの検出結果に基づいてＰＭ捕集量を検出している。再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。
【０００４】
一方、排気ガス中のＰＭを直接検出するためのセンサが提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
【０００５】
従来技術として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面または内部には発熱体を形成した電気抵抗式のスモーク濃度センサが開示されている。このセンサは、煤粒子が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、煤粒子が堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。発熱体は、検出部の温度を４００℃〜６００℃に加熱し、ＰＭ濃度に応じて電極間抵抗を測定した後、付着したＰＭを焼き切って検出能力を回復させている。
【０００６】
特許文献２には、電気絶縁材に相互に離間する複数の電極を形成したＰＭトラップセンサを用い、両電極間の電気抵抗値に相関する指標を計測して、所定基準より小さくなった時に、パティキュレートフィルタの故障と判定する装置が開示されている。また、電気抵抗値の計測精度を向上させるため、定期的（所定の走行時間毎、所定の走行距離毎、使用燃料量毎）にＰＭトラップセンサのリセットを行っている。
【０００７】
なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排気ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平２−４４３８６号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、エンジン始動時には、前回の運転により排出されたＰＭがエンジン停止時にセンサ検出部に付着したまま残っている可能性がある。特許文献１のセンサでは、測定後に加熱を継続することで、その都度ＰＭを焼き切るとしているが、検出時のヒータ温度４００℃〜６００℃は必ずしもＰＭの燃焼に十分高い温度ではなく、また測定からエンジン停止までに十分な時間がないと、確実に回復することは難しい。特許文献２のセンサでは、所定期間経過する毎にＰＭ燃焼温度に所定時間加熱してリセットするが、この場合もタイミングによってはリセットされないままエンジンが停止するおそれがある。
【００１０】
そのような場合、センサ検出部に付着して残っているＰＭの性状が、エンジン停止中または再始動時の環境により変化してしまい、始動後のセンサ出力値の誤差が大きくなりやすい。例えば、エンジン停止時の排気管に含まれる水分やオイル由来成分が付着したり、ＰＭに含まれるＳＯＦ分が蒸発したりすると、エンジン停止時の出力値から変化してしまう。
【００１１】
そこで本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、検出部に堆積した排気微粒子が残留することで、検出精度が低下するのを防止し、常に安定したセンサ出力を得て、高い検出精度を実現できる粒子状物質検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配設されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、
絶縁性基体の表面に一対の検出用電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、
上記検出部に導入される微粒子状物質の量に応じて変化する上記一対の検出用電極間の電気抵抗値を検出するとともに、上記ヒータ部への通電を制御する制御部を有し、
上記制御部には、
上記内燃機関の始動時に上記ヒータ部へ通電して、上記検出部の温度を微粒子状物質が燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、上記検出部表面の微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御手段と、
該始動時燃焼制御の後に、上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部の温度を上記温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、上記検出部に付着する微粒子状物質の検出を行う通常時制御手段を設けることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明において、上記制御部には、上記内燃機関の運転状態に基づいて、始動から上記ヒータ部へ通電するまでのタイミングを決定する通電タイミング決定手段を設ける。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明において、上記通電タイミング決定手段は、上記内燃機関の排気通路に存在する凝縮水による被水危険度を算出し、算出された被水危険度に応じて上記ヒータ部への通電を遅延させる。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明において、上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１が６００℃以上９００℃以下である。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明において、上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１を６５０℃以上であり、時間Ｓ１を２０秒以上の予め設定した値に制御する。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明において、上記通常時制御手段は、温度範囲を５０℃以上６００℃以下の予め設定した値に制御する。
【００１８】
本発明の請求項７に記載の発明において、櫛歯状の上記一対の検出用電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の粒子状物質検出センサは、エンジン停止時、始動する度に、ヒータ部へ通電して検出部に堆積した微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御を実施するので、残留する微粒子状物質の影響で、センサ出力の誤差が大きくなるのを防止できる。したがって、エンジン停止時あるいは再始動時の環境によらず、安定して精度よい検出が可能である。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の発明によれば、再始動時の環境が、例えば雰囲気中の水分が付着してセンサ出力の誤差が大きくなり、あるいは被水割れが生じるおそれがある場合には、ヒータ部へ通電するタイミングを遅らせることができる。よって、被水割れ等の不具合を防止しながら、精度よい検出を可能にする。
【００２１】
本発明の請求項３に記載の発明によれば、通電タイミングを決定する際に、被水危険度を算出して判断するので、被水による不具合を確実に防止できる。
【００２２】
本発明の請求項４に記載の発明によれば、始動時燃焼制御における温度Ｔ１を６００℃〜９００℃以下とすることで、素子耐久性を保持し、エネルギーコストを抑制しながら確実に微粒子状物質を燃焼除去することができる。
【００２３】
本発明の請求項５に記載の発明によれば、始動時燃焼制御の温度Ｔ１を６５０℃以上とし、時間Ｓ１を２０秒以上とすることで、効率よく微粒子状物質を燃焼除去することができる。
【００２４】
本発明の請求項６に記載の発明によれば、通常時制御では、５０℃〜６００℃以下の温度範囲に保持することで、安定したセンサ出力を得ることができる。
【００２５】
本発明の請求項７に記載の発明によれば、好適には、一対の検出用電極とリード部にて検出部を構成し、その裏面側にヒータ電極およびリード部からなるヒータ部を積層することで、センサ素子が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、ＰＭセンサの主要部であるＰＭセンサ素子構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、本発明が適用される自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１（ｂ）の要部拡大図であり、自動車用ディーゼルエンジンの排気管に、ＰＭセンサを取り付けた状態を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、制御回路によるＰＭセンサのヒータ部への通電制御内容を示すフローチャートである。
【図４】始動時燃焼制御の詳細内容を示すフローチャートである。
【図５】始動時燃焼制御における素子温度と保持時間の組み合わせを示す図である。
【図６】（ａ）は、通常制御時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャート、（ｂ）は、始動時燃焼制御を実施しない時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャート、（ｃ）は、始動時燃焼制御を実施した時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の粒子状物質検出センサを、内燃機関の排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１（ｂ）は、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム概略図であり、粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサ１を含む排ガス浄化システムの全体構成を示す。図１（ａ）は、ＰＭセンサ１の主要部であるＰＭセンサ素子１０構成を示す図であり、図２は、図１（ｂ）の要部を拡大した図で、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに、ＰＭセンサ１を取り付けた状態を示す。
【００２８】
図１（ｂ）のエンジンＥ／Ｇは、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプＰＭＰにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。ＰＭセンサ１は、エンジンＥ／Ｇの排気通路である排気管ＥＸにおいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流に設けられ、エンジンＥ／Ｇ各部とともに制御部となる制御回路２によって制御される。この制御の詳細については後述する。
【００２９】
まず、図１（ｂ）において、エンジンＥ／Ｇのシステム構成について説明する。エンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢＣＧＲが回転すると、圧縮された空気がインタクーラＣＬＲＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＲＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨＩＮに還流する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。
【００３０】
排気マニホールドＭＨＥＸに接続する排気管ＥＸには、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管Ｅに排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、煤粒子（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）および無機成分からなる微粒子状物質ＰＭが捕集される。
【００３１】
ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。
【００３２】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の微粒子状物質ＰＭを捕獲する。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。
【００３３】
排気管ＥＸには、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの量を監視するために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を出力する。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。制御回路２は、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。
【００３４】
さらに制御回路２には、エンジンＥ／Ｇの運転状態を知るための各種センサ信号、例えばエアフロメータＡＦＭからの吸気量や吸気温度、エンジン潤滑油や冷却水の温度、エンジン回転数、スロットル開度等が入力している。制御回路２は、これら信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期等を算出し、燃料噴射を制御する。
【００３５】
本実施形態のＰＭセンサ１は、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過して下流側にすり抜ける微粒子状物質ＰＭを検出する。図１（ａ）において、ＰＭセンサ素子１０は、絶縁性基体である絶縁基板１３の表面に、検出部１００を構成する一対の検出用電極１１、１２と電極リード部１１１、１２１を有し、絶縁基板１３の裏面側には、検出部１００を加熱するためのヒータ部３００が積層されている。検出部１００は電極リード部１１１、１２１を介して制御回路２と接続し、検出用電極１１、１２間の電極間抵抗に応じた値を出力する。ヒータ部３００は、絶縁基板３２の表面に、ヒータ電極３１とヒータリード部３１１、３１２が形成され、ヒータリード部３１１、３１２を介してヒータ電源２１に接続し、制御回路２からの指令により通電が制御される。
【００３６】
検出部１００は、アルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料をドクターブレード法、プレス成形法等の公知の手法を用いて平板状の絶縁基板１３に形成し、その先端部表面に、所定の電極間距離をおいて対向する櫛歯形状の検出用電極１１、１２を形成している。検出用電極１１、１２は、例えば白金等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成され、同様にして絶縁基板１３表面に印刷形成される電極リード部１１１、１２１の一端に、それぞれ接続している。ヒータ部３００は、同様の手法で平板状の絶縁基板３２を形成し、その表面（検出部１００側の面）に所定パターンのヒータ電極３０とヒータリード部３１１、３１２を印刷形成してなる。ヒータ部３００のヒータ電極３１は、検出用電極１１、１２の直下に配置されて、検出部１００を効率よく所定温度に加熱する。
【００３７】
図２において、ＰＭセンサ１は、排気管ＥＸの管壁に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたＰＭセンサ素子１０の上半部を保持している。ＰＭセンサ素子１０の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管ＥＸ内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の底部および側部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した微粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流出入するための通孔４１０、４１１が穿設されている。
【００３８】
この時、微粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、図示するように、ＰＭセンサ素子１００の検出部１００が排気管ＥＸの上流側を向くように配置するとよい。また、検出部１００を除く絶縁基板１３の表面に、電極リード部１１１、１２１を覆って絶縁性保護層１４を形成すると、リード部１１１、１２１間に微粒子状物質ＰＭが堆積することによる誤検出を防止することができる。
【００３９】
次に、ＰＭセンサ１の基本作動について説明する。図２において、被測定ガスとなるエンジンＥ／Ｇの排出ガスは、ＰＭセンサ１のカバー体４０の上流側の通孔４１１から内部に導入され、ＰＭセンサ素子１００と接触した後、底面の通孔４１０または下流側の通孔４１１から排出される。図１（ａ）において、検出部１００の表面には、櫛歯形状の検出用電極１１、１２が所定の間隙を有して形成されているので、初期状態では非導通状態である。排出ガスと接触することにより、導電性の煤粒子を含む微粒子状物質ＰＭが付着し徐々に堆積すると、ある時点で検出用電極１１、１２間が導通する。そして、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は大きく低下するので、この関係に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの故障判定を行うことができる。
【００４０】
例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに、セル壁の破損といった何らかの不具合が生じて、正常な捕集が困難になると、排出ガスとともに放出される微粒子状物質ＰＭが急増する。したがって、制御回路２により、所定期間にディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭの量をモニタし、正常時よりも明らかに多ければ、異常と判断することができる。なお、正常時であってもＰＭ堆積量が一定量を超えると、電極間抵抗の変化が小さくなり、検出精度が低下するため、通常は、所定期間経過後に、堆積したＰＭを燃焼除去するセンサ再生制御を行うことが望ましい。
【００４１】
ところが、センサ再生制御を行うことなく、エンジンＥ／Ｇが停止され、再び始動した場合には、ＰＭセンサ１の検出部１００に前回付着した微粒子状物質ＰＭが残留していることになる。この場合、微粒子状物質ＰＭの性状が停止時および再始動時の環境により変化し、センサ出力に影響する。例えば、排気管ＥＸが高温の状態でエンジン停止した場合、付着した微粒子状物質ＰＭの有機成分（ＳＯＦ）のみ蒸発することが考えられる。すると微粒子状物質ＰＭの導電性が変化し、始動後のセンサ出力が当初の挙動と異なってしまう。また、始動時の環境が低温の場合、排気中の水蒸気により検出部が結露し水分が付着してしまう。するとセンサ作動時の微粒子状物質ＰＭの付着状態が異なったり、あるいは、水分の蒸発によりセンサ出力に誤差が出てしまう。これら停止時、始動時の環境は毎回異なっており、例えば、有機成分（ＳＯＦ）は、温度や排気成分(酸素濃度)によっては蒸発せずに硬化または燃焼するため、これによって発生する誤差は予測が困難である。
【００４２】
そこで、本発明では、制御回路２により、始動時および通常時のヒータ部３００への通電を制御し、特に始動時に微粒子状物質ＰＭを燃焼除去した後に、通常のＰＭ検出のための制御を実施することで、出力誤差を抑制する。具体的には、
エンジンＥ／Ｇの始動時にヒータ部３００へ通電して、検出部１００の温度を微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、検出部１００表面の微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する始動時燃焼制御を実施し（始動時燃焼制御手段）、
この始動時燃焼制御の後に、ヒータ部３００への通電を制御して検出部３００の温度を温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭの検出を行う通常時制御を実施する（通常時制御手段）。
【００４３】
始動時燃焼制御において、ヒータ部３００への通電開始を始動と同時に行う場合、排気管ＥＸ中に凝縮した水が飛散し、高温の検出部１００に付着することで割れてしまうことがある。これを防止するためには、排気管ＥＸ中の凝縮水が乾燥してなくなるか、飛散してセンサ素子１０に付着しなくなるまで、通電開始を遅らせる必要がある。そこで、このような場合には、始動時燃焼制御のための通電を直ちに行わず、エンジンＥ／Ｇの運転状態から被水の危険度合いを判断し、被水危険度が許容範囲となるまで通電タイミングを遅らせるのがよい。あるいは、エンジンＥ／Ｇの運転状態から算出される被水危険係数と、通電タイミングの関係を予め実験的に求めておき、被水危険係数に応じて決定されるタイミングで、通電を開始することもできる。これにより、被水割れを抑制しながら精度よい検出が可能となる。
【００４４】
次に、図３、４のフローチャートに基づいて、制御回路２にて実施される制御の一例を具体的に説明する。図３において、エンジンＥ／Ｇの始動時には、まずステップＳ１００で、各種センサからのデータ取込みを行う。この時、エンジンＥ／Ｇの運転状態や排気管ＥＸ内の温度条件を知るために、例えば、エンジン冷却水温、潤滑油温を図示しない水温センサ、油温センサから取り込み、外気温としてエアフロメータＡＦＭに内蔵される吸気温センサの出力を、ＰＭセンサ１近傍の排気温としてディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ下流の温度センサＳ３出力を取り込む。また、エンジンＥ／Ｇの回転数や燃料噴射量Ｑ、運転時間等を取り込む。
【００４５】
ステップＳ１０１では、これらデータに基づいて、ＰＭセンサ１の被水危険度を算出する。具体的には、前回の運転停止からの時間と、始動後の運転条件および温度条件から、ＰＭセンサ１より上流の排気管ＥＸ内に発生し滞留する凝縮水量を予測し、排気管ＥＸ形状から予め求めた関係を用いて被水危険係数を算出することができる。例えば、外気温が低い条件では、運転停止後に排気管ＥＸの温度低下により雰囲気中の水分が凝縮し、あるいは始動直後に低温の排気管ＥＸ内に排気が流入すると排気中の水分が凝縮する。また、運転停止からの時間が比較的短く、排気管ＥＸ内の温度が比較的高ければ、この凝縮水量は少なく、排気温が上昇して凝縮水が蒸発までの時間も短い。また、凝縮水量が同じであっても、例えば排気管ＥＸが屈曲部を有する形状である場合には、凝縮水が滞留しやすく、排気によって飛散されにくい。したがって、これら条件を変更した実験結果に基づいてマップを作成しておくか、演算式を使用して求めることができる。
【００４６】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で求めた被水危険度が一定値より小さいか否かを判定する。この一定値は、ＰＭセンサ１への通電開始により被水割れの可能性がある最低値であり、肯定判定された場合には、被水割れのおそれがない、すなわち通電開始タイミングと判断して、ステップＳ１０３の始動時燃焼制御へ進む。否定判断された場合にはステップＳ１００へ戻り、被水割れのおそれがなくなるまで通電を遅延するために、ステップＳ１００〜Ｓ１０２を繰り返す。
【００４７】
ステップＳ１０３では、始動時燃焼制御により、ＰＭセンサ１のヒータ部３００に通電し、微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する。この制御の詳細を、図４により説明する。図４のステップＳ２００では、ＰＭセンサ１への微粒子状物質ＰＭの堆積状態を知るために、データ取り込みを行う。この時、
１）前回運転時において、通常制御によるＰＭ燃焼を実施してから運転停止するまでの期間
２）運転停止期間
３）今回の始動から始動時燃焼制御を開始するまでの期間
の各期間について、ＰＭセンサ１に付着した微粒子状物質ＰＭ、またはその変化を知るために、各種センサからエンジン冷却水温、潤滑油温、外気温、排気温、エンジン回転数、噴射量Ｑといった運転状態、温度条件、さらに運転時間等のデータを取り込む。
【００４８】
ステップＳ２０１では、これらデータに基づいて、
１）前回運転停止時点において、ＰＭセンサ１に付着している微粒子状物質ＰＭの量
２）運転停止期間中に付着または蒸発する水分、ＨＣ分
３）今回の始動から始動時燃焼制御の開始までに付着する微粒子状物質ＰＭの量
を求め、現在の微粒子状物質ＰＭの付着状態（付着量および成分比）を予測する。運転期間中における微粒子状物質ＰＭの付着量、停止中の水分、ＨＣ分による変化は、運転状態や排気管ＥＸ内の環境によって異なり、予め実験を行って作成したマップを使用するか、理論に基づく演算式を用いて算出することができる。
【００４９】
次いで、ステップＳ２０２に進み、ステップＳ２０１で算出した微粒子状物質ＰＭの付着状態（付着量および成分比）から、微粒子状物質ＰＭの燃焼制御条件（温度および時間）を算出する。始動時燃焼制御において、温度Ｔ１は微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度以上、通常、６００℃以上とするのがよく、また、センサ素子１０の耐久性（ヒータ部３００）の観点からは、９００℃以下であるとよい。時間Ｓ１は温度Ｔ１に依存し、温度Ｔ１を高くするほど時間Ｓ１を短時間とすることができる。制御性の観点からは、時間Ｓ１は５分以下とするのがよい。
【００５０】
図５は、素子温度Ｔ１と保持時間Ｓ１の関係を調べた結果を示す。試験条件は、図１（ｂ）のように排気管ＥＸにＰＭセンサ１を装着し、エンジンＥ／Ｇ始動後にＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電制御を行って所定温度（Ｔ１）に時間（Ｓ１）保持した時の微粒子状物質ＰＭの付着状態を観察した。この時、素子温度Ｔ１は５５０℃〜７５０℃とし、保持時間Ｓ１を変更して、付着の有無を示した。図示されるように、素子温度Ｔ１が６００℃の時は保持温度２０秒以上、素子温度Ｔ１が７００℃の時は保持温度１０秒以上で、微粒子状物質ＰＭの付着がない状態まで除去できる。素子温度Ｔ１が５５０℃以下では保持時間Ｓ１が８０秒でも微粒子状物質ＰＭが付着しており、燃焼除去するには、６００℃以上とすることが必要となる。好ましくは、素子温度Ｔ１６５０℃以上、保持温度２０秒以上とするのがよい。
【００５１】
ステップＳ２０３では、始動時燃焼制御を開始し、ステップＳ２０２で決定した条件（温度Ｔ１、時間Ｓ１）にて、ＰＭセンサ１のヒータ部３００へ通電制御を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する。ＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電により、検出部１００を温度Ｔ１にて時間Ｓ１保持した後、ステップＳ２０４にて、始動時燃焼制御を終了する。
【００５２】
その後、図３のステップＳ１０４に進み、通常時制御を開始する。通常時制御では、ＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電により、検出部１００の温度を始動時燃焼制御の温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、この状態で検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭの検出を行う。具体的には、温度範囲は５０℃以上６００℃以下の範囲で予め設定した値に制御することで、安定した出力を得ることができる。
【００５３】
図６（ａ）は、通常時制御を連続して行った場合のＰＭセンサ１の出力を示す図であり、検出開始から一定の不感時間経過後に、検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通してセンサ出力が立ち上がり、時間経過とともにセンサ出力が急増した後、飽和する特性を示している。これは検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭが増加するのに伴い、電極間抵抗が急低下するものの、所定量を超えるとそれ以上抵抗値が変化しなくなるためで、定期的にセンサ再生制御を行って、堆積した微粒子状物質ＰＭを除去する必要がある。この場合のセンサ再生制御は、始動時燃焼制御と同様に行うことができ、微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度以上で所定時間保持すればよい。例えば、６００℃〜９００℃、好適には６５０℃以上で２０秒以上、７００℃で１０秒以上保持する。その後、同様の制御を繰り返し行う。
【００５４】
図６（ｂ）は、通常時制御による検出開始後、センサ再生制御を行うことなく、エンジン停止に至った場合に、再始動時のセンサ出力変化を示す図である。左図は検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通しセンサ出力が立ち上がった後に、エンジン停止した場合であり、再始動時に始動時燃焼制御を行っていない。この時、ソーク時の微粒子状物質ＰＭの性状変化、水分付着等により、本来の出力変化（点線）に対してＰＭ感度が変化し、ＰＭ堆積量を誤検出するおそれが高い。また、右図はセンサ再生制御後に、検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通しセンサ出力が立ち上がった後、不感時間にエンジン停止した場合である。この場合も、センサ再生制御後に堆積した微粒子状物質ＰＭが残留している影響で不感時間が変化し、精度よい検出が困難になる。
【００５５】
これに対して図６（ｃ）は、再始動時に本願発明の始動時燃焼制御を行った場合であり、センサ再生制御を行うことなく、エンジン停止に至った場合でも、ＰＭ感度変化や不感時間のずれを生じることなく、微粒子状物質ＰＭの検出を正常に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
このようにして形成される本発明の微粒子センサは、高い検出精度を有し、ＤＰＦの下流に設置されて、ＤＰＦの異常検出に利用することができる。あるいは、ＤＰＦの上流に設置されて、ＤＰＦに流入する微粒子状物質ＰＭを直接検出するシステムに利用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
ＤＰＦ ディーゼルパティキュレートフィルタ
ＥＸ 排気管（排気通路）
Ｅ／Ｇ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１ ＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）
１０ ＰＭセンサ素子（センサ素子）
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ 電極リード部
１３ 絶縁性基板（絶縁性基体）
１４ 絶縁性保護層
２ 制御回路（制御部）
２１ ヒータ電源
３００ ヒータ部
３１ ヒータ電極
３２ 絶縁性基板
３１１、３１２ ヒータリード部
４０ カバー体
４１０、４１１ 通孔
５０ ハウジング
６０ インシュレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用内燃機関の排気浄化システムにおいて、排出ガス中に存在する微粒子状物質の量を検出する、電気抵抗式の粒子状物質検出センサに関するもので、例えば、微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの異常検出に有効である。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする微粒子状物質（Particulate Matter；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排気ガスを通過させてＰＭを捕捉する。
【０００３】
ＤＰＦは、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて負圧が増大したり、ＰＭのすり抜けが増加したりするおそれがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。再生時期の判断には、例えば、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用することができ、差圧センサの検出結果に基づいてＰＭ捕集量を検出している。再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去する。
【０００４】
一方、排気ガス中のＰＭを直接検出するためのセンサが提案されている。このＰＭセンサを、例えばＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定し、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）において、ＤＰＦの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。あるいはＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、差圧センサに代わる再生時期の判断に利用することも検討されている。
【０００５】
従来技術として、特許文献１には、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成し、基板の裏面または内部には発熱体を形成した電気抵抗式のスモーク濃度センサが開示されている。このセンサは、煤粒子が導電性を有することを利用したもので、検出部となる電極間に、煤粒子が堆積することで生じる電気抵抗値の変化を検出する。発熱体は、検出部の温度を４００℃〜６００℃に加熱し、ＰＭ濃度に応じて電極間抵抗を測定した後、付着したＰＭを焼き切って検出能力を回復させている。
【０００６】
特許文献２には、電気絶縁材に相互に離間する複数の電極を形成したＰＭトラップセンサを用い、両電極間の電気抵抗値に相関する指標を計測して、所定基準より小さくなった時に、パティキュレートフィルタの故障と判定する装置が開示されている。また、電気抵抗値の計測精度を向上させるため、定期的（所定の走行時間毎、所定の走行距離毎、使用燃料量毎）にＰＭトラップセンサのリセットを行っている。
【０００７】
なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排気ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平２−４４３８６号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、エンジン始動時には、前回の運転により排出されたＰＭがエンジン停止時にセンサ検出部に付着したまま残っている可能性がある。特許文献１のセンサでは、測定後に加熱を継続することで、その都度ＰＭを焼き切るとしているが、検出時のヒータ温度４００℃〜６００℃は必ずしもＰＭの燃焼に十分高い温度ではなく、また測定からエンジン停止までに十分な時間がないと、確実に回復することは難しい。特許文献２のセンサでは、所定期間経過する毎にＰＭ燃焼温度に所定時間加熱してリセットするが、この場合もタイミングによってはリセットされないままエンジンが停止するおそれがある。
【００１０】
そのような場合、センサ検出部に付着して残っているＰＭの性状が、エンジン停止中または再始動時の環境により変化してしまい、始動後のセンサ出力値の誤差が大きくなりやすい。例えば、エンジン停止時の排気管に含まれる水分やオイル由来成分が付着したり、ＰＭに含まれるＳＯＦ分が蒸発したりすると、エンジン停止時の出力値から変化してしまう。
【００１１】
そこで本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭ検出に用いられる電気抵抗式の粒子状物質検出センサにおいて、検出部に堆積した排気微粒子が残留することで、検出精度が低下するのを防止し、常に安定したセンサ出力を得て、高い検出精度を実現できる粒子状物質検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配設されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、
絶縁性基体の表面に一対の検出用電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、
上記検出部に導入される微粒子状物質の量に応じて変化する上記一対の検出用電極間の電気抵抗値を検出するとともに、上記ヒータ部への通電を制御する制御部を有し、
上記制御部には、
上記内燃機関の始動時に上記ヒータ部へ通電して、上記検出部の温度を微粒子状物質が燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、上記検出部表面の微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御手段と、
該始動時燃焼制御の後に、上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部の温度を上記温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、上記検出部に付着する微粒子状物質の検出を行う通常時制御手段を設けることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明において、上記制御部には、上記内燃機関の運転状態に基づいて、始動から上記ヒータ部へ通電するまでのタイミングを決定する通電タイミング決定手段を設ける。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明において、上記通電タイミング決定手段は、上記内燃機関の排気通路に存在する凝縮水による被水危険度を算出し、算出された被水危険度に応じて上記ヒータ部への通電を遅延させる。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明において、上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１が６００℃以上９００℃以下である。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明において、上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１を６５０℃以上であり、時間Ｓ１を２０秒以上の予め設定した値に制御する。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明において、上記通常時制御手段は、温度範囲を５０℃以上６００℃以下の予め設定した値に制御する。
【００１８】
本発明の請求項７に記載の発明において、櫛歯状の上記一対の検出用電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の粒子状物質検出センサは、エンジン停止時、始動する度に、ヒータ部へ通電して検出部に堆積した微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御を実施するので、残留する微粒子状物質の影響で、センサ出力の誤差が大きくなるのを防止できる。したがって、エンジン停止時あるいは再始動時の環境によらず、安定して精度よい検出が可能である。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の発明によれば、再始動時の環境が、例えば雰囲気中の水分が付着してセンサ出力の誤差が大きくなり、あるいは被水割れが生じるおそれがある場合には、ヒータ部へ通電するタイミングを遅らせることができる。よって、被水割れ等の不具合を防止しながら、精度よい検出を可能にする。
【００２１】
本発明の請求項３に記載の発明によれば、通電タイミングを決定する際に、被水危険度を算出して判断するので、被水による不具合を確実に防止できる。
【００２２】
本発明の請求項４に記載の発明によれば、始動時燃焼制御における温度Ｔ１を６００℃〜９００℃以下とすることで、素子耐久性を保持し、エネルギーコストを抑制しながら確実に微粒子状物質を燃焼除去することができる。
【００２３】
本発明の請求項５に記載の発明によれば、始動時燃焼制御の温度Ｔ１を６５０℃以上とし、時間Ｓ１を２０秒以上とすることで、効率よく微粒子状物質を燃焼除去することができる。
【００２４】
本発明の請求項６に記載の発明によれば、通常時制御では、５０℃〜６００℃以下の温度範囲に保持することで、安定したセンサ出力を得ることができる。
【００２５】
本発明の請求項７に記載の発明によれば、好適には、一対の検出用電極とリード部にて検出部を構成し、その裏面側にヒータ電極およびリード部からなるヒータ部を積層することで、センサ素子が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、ＰＭセンサの主要部であるＰＭセンサ素子構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、本発明が適用される自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１（ｂ）の要部拡大図であり、自動車用ディーゼルエンジンの排気管に、ＰＭセンサを取り付けた状態を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、制御回路によるＰＭセンサのヒータ部への通電制御内容を示すフローチャートである。
【図４】始動時燃焼制御の詳細内容を示すフローチャートである。
【図５】始動時燃焼制御における素子温度と保持時間の組み合わせを示す図である。
【図６】（ａ）は、通常制御時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャート、（ｂ）は、始動時燃焼制御を実施しない時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャート、（ｃ）は、始動時燃焼制御を実施した時のＰＭセンサ出力の時間経過を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の粒子状物質検出センサを、内燃機関の排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１（ｂ）は、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム概略図であり、粒子状物質検出センサとしてのＰＭセンサ１を含む排ガス浄化システムの全体構成を示す。図１（ａ）は、ＰＭセンサ１の主要部であるＰＭセンサ素子１０構成を示す図であり、図２は、図１（ｂ）の要部を拡大した図で、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気管ＥＸに、ＰＭセンサ１を取り付けた状態を示す。
【００２８】
図１（ｂ）のエンジンＥ／Ｇは、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプＰＭＰにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。ＰＭセンサ１は、エンジンＥ／Ｇの排気通路である排気管ＥＸにおいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流に設けられ、エンジンＥ／Ｇ各部とともに制御部となる制御回路２によって制御される。この制御の詳細については後述する。
【００２９】
まず、図１（ｂ）において、エンジンＥ／Ｇのシステム構成について説明する。エンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢＣＧＲが回転すると、圧縮された空気がインタクーラＣＬＲＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＲＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨＩＮに還流する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。
【００３０】
排気マニホールドＭＨＥＸに接続する排気管ＥＸには、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管Ｅに排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、煤粒子（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）および無機成分からなる微粒子状物質ＰＭが捕集される。
【００３１】
ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。
【００３２】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の微粒子状物質ＰＭを捕獲する。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。
【００３３】
排気管ＥＸには、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの量を監視するために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を出力する。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。制御回路２は、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。
【００３４】
さらに制御回路２には、エンジンＥ／Ｇの運転状態を知るための各種センサ信号、例えばエアフロメータＡＦＭからの吸気量や吸気温度、エンジン潤滑油や冷却水の温度、エンジン回転数、スロットル開度等が入力している。制御回路２は、これら信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期等を算出し、燃料噴射を制御する。
【００３５】
本実施形態のＰＭセンサ１は、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過して下流側にすり抜ける微粒子状物質ＰＭを検出する。図１（ａ）において、ＰＭセンサ素子１０は、絶縁性基体である絶縁基板１３の表面に、検出部１００を構成する一対の検出用電極１１、１２と電極リード部１１１、１２１を有し、絶縁基板１３の裏面側には、検出部１００を加熱するためのヒータ部３００が積層されている。検出部１００は電極リード部１１１、１２１を介して制御回路２と接続し、検出用電極１１、１２間の電極間抵抗に応じた値を出力する。ヒータ部３００は、絶縁基板３２の表面に、ヒータ電極３１とヒータリード部３１１、３１２が形成され、ヒータリード部３１１、３１２を介してヒータ電源２１に接続し、制御回路２からの指令により通電が制御される。
【００３６】
検出部１００は、アルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料をドクターブレード法、プレス成形法等の公知の手法を用いて平板状の絶縁基板１３に形成し、その先端部表面に、所定の電極間距離をおいて対向する櫛歯形状の検出用電極１１、１２を形成している。検出用電極１１、１２は、例えば白金等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成され、同様にして絶縁基板１３表面に印刷形成される電極リード部１１１、１２１の一端に、それぞれ接続している。ヒータ部３００は、同様の手法で平板状の絶縁基板３２を形成し、その表面（検出部１００側の面）に所定パターンのヒータ電極３０とヒータリード部３１１、３１２を印刷形成してなる。ヒータ部３００のヒータ電極３１は、検出用電極１１、１２の直下に配置されて、検出部１００を効率よく所定温度に加熱する。
【００３７】
図２において、ＰＭセンサ１は、排気管ＥＸの管壁に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたＰＭセンサ素子１０の上半部を保持している。ＰＭセンサ素子１０の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管ＥＸ内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の底部および側部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した微粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流出入するための通孔４１０、４１１が穿設されている。
【００３８】
この時、微粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、図示するように、ＰＭセンサ素子１００の検出部１００が排気管ＥＸの上流側を向くように配置するとよい。また、検出部１００を除く絶縁基板１３の表面に、電極リード部１１１、１２１を覆って絶縁性保護層１４を形成すると、リード部１１１、１２１間に微粒子状物質ＰＭが堆積することによる誤検出を防止することができる。
【００３９】
次に、ＰＭセンサ１の基本作動について説明する。図２において、被測定ガスとなるエンジンＥ／Ｇの排出ガスは、ＰＭセンサ１のカバー体４０の上流側の通孔４１１から内部に導入され、ＰＭセンサ素子１００と接触した後、底面の通孔４１０または下流側の通孔４１１から排出される。図１（ａ）において、検出部１００の表面には、櫛歯形状の検出用電極１１、１２が所定の間隙を有して形成されているので、初期状態では非導通状態である。排出ガスと接触することにより、導電性の煤粒子を含む微粒子状物質ＰＭが付着し徐々に堆積すると、ある時点で検出用電極１１、１２間が導通する。そして、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は大きく低下するので、この関係に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの故障判定を行うことができる。
【００４０】
例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに、セル壁の破損といった何らかの不具合が生じて、正常な捕集が困難になると、排出ガスとともに放出される微粒子状物質ＰＭが急増する。したがって、制御回路２により、所定期間にディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭの量をモニタし、正常時よりも明らかに多ければ、異常と判断することができる。なお、正常時であってもＰＭ堆積量が一定量を超えると、電極間抵抗の変化が小さくなり、検出精度が低下するため、通常は、所定期間経過後に、堆積したＰＭを燃焼除去するセンサ再生制御を行うことが望ましい。
【００４１】
ところが、センサ再生制御を行うことなく、エンジンＥ／Ｇが停止され、再び始動した場合には、ＰＭセンサ１の検出部１００に前回付着した微粒子状物質ＰＭが残留していることになる。この場合、微粒子状物質ＰＭの性状が停止時および再始動時の環境により変化し、センサ出力に影響する。例えば、排気管ＥＸが高温の状態でエンジン停止した場合、付着した微粒子状物質ＰＭの有機成分（ＳＯＦ）のみ蒸発することが考えられる。すると微粒子状物質ＰＭの導電性が変化し、始動後のセンサ出力が当初の挙動と異なってしまう。また、始動時の環境が低温の場合、排気中の水蒸気により検出部が結露し水分が付着してしまう。するとセンサ作動時の微粒子状物質ＰＭの付着状態が異なったり、あるいは、水分の蒸発によりセンサ出力に誤差が出てしまう。これら停止時、始動時の環境は毎回異なっており、例えば、有機成分（ＳＯＦ）は、温度や排気成分(酸素濃度)によっては蒸発せずに硬化または燃焼するため、これによって発生する誤差は予測が困難である。
【００４２】
そこで、本発明では、制御回路２により、始動時および通常時のヒータ部３００への通電を制御し、特に始動時に微粒子状物質ＰＭを燃焼除去した後に、通常のＰＭ検出のための制御を実施することで、出力誤差を抑制する。具体的には、
エンジンＥ／Ｇの始動時にヒータ部３００へ通電して、検出部１００の温度を微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、検出部１００表面の微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する始動時燃焼制御を実施し（始動時燃焼制御手段）、
この始動時燃焼制御の後に、ヒータ部３００への通電を制御して検出部３００の温度を温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭの検出を行う通常時制御を実施する（通常時制御手段）。
【００４３】
始動時燃焼制御において、ヒータ部３００への通電開始を始動と同時に行う場合、排気管ＥＸ中に凝縮した水が飛散し、高温の検出部１００に付着することで割れてしまうことがある。これを防止するためには、排気管ＥＸ中の凝縮水が乾燥してなくなるか、飛散してセンサ素子１０に付着しなくなるまで、通電開始を遅らせる必要がある。そこで、このような場合には、始動時燃焼制御のための通電を直ちに行わず、エンジンＥ／Ｇの運転状態から被水の危険度合いを判断し、被水危険度が許容範囲となるまで通電タイミングを遅らせるのがよい。あるいは、エンジンＥ／Ｇの運転状態から算出される被水危険係数と、通電タイミングの関係を予め実験的に求めておき、被水危険係数に応じて決定されるタイミングで、通電を開始することもできる。これにより、被水割れを抑制しながら精度よい検出が可能となる。
【００４４】
次に、図３、４のフローチャートに基づいて、制御回路２にて実施される制御の一例を具体的に説明する。図３において、エンジンＥ／Ｇの始動時には、まずステップＳ１００で、各種センサからのデータ取込みを行う。この時、エンジンＥ／Ｇの運転状態や排気管ＥＸ内の温度条件を知るために、例えば、エンジン冷却水温、潤滑油温を図示しない水温センサ、油温センサから取り込み、外気温としてエアフロメータＡＦＭに内蔵される吸気温センサの出力を、ＰＭセンサ１近傍の排気温としてディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ下流の温度センサＳ３出力を取り込む。また、エンジンＥ／Ｇの回転数や燃料噴射量Ｑ、運転時間等を取り込む。
【００４５】
ステップＳ１０１では、これらデータに基づいて、ＰＭセンサ１の被水危険度を算出する。具体的には、前回の運転停止からの時間と、始動後の運転条件および温度条件から、ＰＭセンサ１より上流の排気管ＥＸ内に発生し滞留する凝縮水量を予測し、排気管ＥＸ形状から予め求めた関係を用いて被水危険係数を算出することができる。例えば、外気温が低い条件では、運転停止後に排気管ＥＸの温度低下により雰囲気中の水分が凝縮し、あるいは始動直後に低温の排気管ＥＸ内に排気が流入すると排気中の水分が凝縮する。また、運転停止からの時間が比較的短く、排気管ＥＸ内の温度が比較的高ければ、この凝縮水量は少なく、排気温が上昇して凝縮水が蒸発までの時間も短い。また、凝縮水量が同じであっても、例えば排気管ＥＸが屈曲部を有する形状である場合には、凝縮水が滞留しやすく、排気によって飛散されにくい。したがって、これら条件を変更した実験結果に基づいてマップを作成しておくか、演算式を使用して求めることができる。
【００４６】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で求めた被水危険度が一定値より小さいか否かを判定する。この一定値は、ＰＭセンサ１への通電開始により被水割れの可能性がある最低値であり、肯定判定された場合には、被水割れのおそれがない、すなわち通電開始タイミングと判断して、ステップＳ１０３の始動時燃焼制御へ進む。否定判断された場合にはステップＳ１００へ戻り、被水割れのおそれがなくなるまで通電を遅延するために、ステップＳ１００〜Ｓ１０２を繰り返す。
【００４７】
ステップＳ１０３では、始動時燃焼制御により、ＰＭセンサ１のヒータ部３００に通電し、微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する。この制御の詳細を、図４により説明する。図４のステップＳ２００では、ＰＭセンサ１への微粒子状物質ＰＭの堆積状態を知るために、データ取り込みを行う。この時、
１）前回運転時において、通常制御によるＰＭ燃焼を実施してから運転停止するまでの期間
２）運転停止期間
３）今回の始動から始動時燃焼制御を開始するまでの期間
の各期間について、ＰＭセンサ１に付着した微粒子状物質ＰＭ、またはその変化を知るために、各種センサからエンジン冷却水温、潤滑油温、外気温、排気温、エンジン回転数、噴射量Ｑといった運転状態、温度条件、さらに運転時間等のデータを取り込む。
【００４８】
ステップＳ２０１では、これらデータに基づいて、
１）前回運転停止時点において、ＰＭセンサ１に付着している微粒子状物質ＰＭの量
２）運転停止期間中に付着または蒸発する水分、ＨＣ分
３）今回の始動から始動時燃焼制御の開始までに付着する微粒子状物質ＰＭの量
を求め、現在の微粒子状物質ＰＭの付着状態（付着量および成分比）を予測する。運転期間中における微粒子状物質ＰＭの付着量、停止中の水分、ＨＣ分による変化は、運転状態や排気管ＥＸ内の環境によって異なり、予め実験を行って作成したマップを使用するか、理論に基づく演算式を用いて算出することができる。
【００４９】
次いで、ステップＳ２０２に進み、ステップＳ２０１で算出した微粒子状物質ＰＭの付着状態（付着量および成分比）から、微粒子状物質ＰＭの燃焼制御条件（温度および時間）を算出する。始動時燃焼制御において、温度Ｔ１は微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度以上、通常、６００℃以上とするのがよく、また、センサ素子１０の耐久性（ヒータ部３００）の観点からは、９００℃以下であるとよい。時間Ｓ１は温度Ｔ１に依存し、温度Ｔ１を高くするほど時間Ｓ１を短時間とすることができる。制御性の観点からは、時間Ｓ１は５分以下とするのがよい。
【００５０】
図５は、素子温度Ｔ１と保持時間Ｓ１の関係を調べた結果を示す。試験条件は、図１（ｂ）のように排気管ＥＸにＰＭセンサ１を装着し、エンジンＥ／Ｇ始動後にＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電制御を行って所定温度（Ｔ１）に時間（Ｓ１）保持した時の微粒子状物質ＰＭの付着状態を観察した。この時、素子温度Ｔ１は５５０℃〜７５０℃とし、保持時間Ｓ１を変更して、付着の有無を示した。図示されるように、素子温度Ｔ１が６００℃の時は保持温度２０秒以上、素子温度Ｔ１が７００℃の時は保持温度１０秒以上で、微粒子状物質ＰＭの付着がない状態まで除去できる。素子温度Ｔ１が５５０℃以下では保持時間Ｓ１が８０秒でも微粒子状物質ＰＭが付着しており、燃焼除去するには、６００℃以上とすることが必要となる。好ましくは、素子温度Ｔ１６５０℃以上、保持温度２０秒以上とするのがよい。
【００５１】
ステップＳ２０３では、始動時燃焼制御を開始し、ステップＳ２０２で決定した条件（温度Ｔ１、時間Ｓ１）にて、ＰＭセンサ１のヒータ部３００へ通電制御を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する。ＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電により、検出部１００を温度Ｔ１にて時間Ｓ１保持した後、ステップＳ２０４にて、始動時燃焼制御を終了する。
【００５２】
その後、図３のステップＳ１０４に進み、通常時制御を開始する。通常時制御では、ＰＭセンサ１のヒータ部３００への通電により、検出部１００の温度を始動時燃焼制御の温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、この状態で検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭの検出を行う。具体的には、温度範囲は５０℃以上６００℃以下の範囲で予め設定した値に制御することで、安定した出力を得ることができる。
【００５３】
図６（ａ）は、通常時制御を連続して行った場合のＰＭセンサ１の出力を示す図であり、検出開始から一定の不感時間経過後に、検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通してセンサ出力が立ち上がり、時間経過とともにセンサ出力が急増した後、飽和する特性を示している。これは検出部１００に付着する微粒子状物質ＰＭが増加するのに伴い、電極間抵抗が急低下するものの、所定量を超えるとそれ以上抵抗値が変化しなくなるためで、定期的にセンサ再生制御を行って、堆積した微粒子状物質ＰＭを除去する必要がある。この場合のセンサ再生制御は、始動時燃焼制御と同様に行うことができ、微粒子状物質ＰＭが燃焼可能な温度以上で所定時間保持すればよい。例えば、６００℃〜９００℃、好適には６５０℃以上で２０秒以上、７００℃で１０秒以上保持する。その後、同様の制御を繰り返し行う。
【００５４】
図６（ｂ）は、通常時制御による検出開始後、センサ再生制御を行うことなく、エンジン停止に至った場合に、再始動時のセンサ出力変化を示す図である。左図は検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通しセンサ出力が立ち上がった後に、エンジン停止した場合であり、再始動時に始動時燃焼制御を行っていない。この時、ソーク時の微粒子状物質ＰＭの性状変化、水分付着等により、本来の出力変化（点線）に対してＰＭ感度が変化し、ＰＭ堆積量を誤検出するおそれが高い。また、右図はセンサ再生制御後に、検出部１００の一対の検出用電極１１、１２間が導通しセンサ出力が立ち上がった後、不感時間にエンジン停止した場合である。この場合も、センサ再生制御後に堆積した微粒子状物質ＰＭが残留している影響で不感時間が変化し、精度よい検出が困難になる。
【００５５】
これに対して図６（ｃ）は、再始動時に本願発明の始動時燃焼制御を行った場合であり、センサ再生制御を行うことなく、エンジン停止に至った場合でも、ＰＭ感度変化や不感時間のずれを生じることなく、微粒子状物質ＰＭの検出を正常に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
このようにして形成される本発明の微粒子センサは、高い検出精度を有し、ＤＰＦの下流に設置されて、ＤＰＦの異常検出に利用することができる。あるいは、ＤＰＦの上流に設置されて、ＤＰＦに流入する微粒子状物質ＰＭを直接検出するシステムに利用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
ＤＰＦ ディーゼルパティキュレートフィルタ
ＥＸ 排気管（排気通路）
Ｅ／Ｇ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１ ＰＭセンサ（粒子状物質検出センサ）
１０ ＰＭセンサ素子（センサ素子）
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ 電極リード部
１３ 絶縁性基板（絶縁性基体）
１４ 絶縁性保護層
２ 制御回路（制御部）
２１ ヒータ電源
３００ ヒータ部
３１ ヒータ電極
３２ 絶縁性基板
３１１、３１２ ヒータリード部
４０ カバー体
４１０、４１１ 通孔
５０ ハウジング
６０ インシュレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、
絶縁性基体の表面に一対の検出用電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、
上記検出部に導入される微粒子状物質の量に応じて変化する上記一対の検出用電極間の電気抵抗値を検出するとともに、上記ヒータ部への通電を制御する制御部を有し、
上記制御部には、
上記内燃機関の始動時に上記ヒータ部へ通電して、上記検出部の温度を微粒子状物質が燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、上記検出部表面の微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御手段と、
該始動時燃焼制御の後に、上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部の温度を上記温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、上記検出部に付着する微粒子状物質の検出を行う通常時制御手段を設けることを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記制御部には、上記内燃機関の運転状態に基づいて、始動から上記ヒータ部へ通電するまでのタイミングを決定する通電タイミング決定手段を設けた請求項１記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記通電タイミング決定手段は、上記内燃機関の排気通路に存在する凝縮水による被水危険度を算出し、算出された被水危険度に応じて上記ヒータ部への通電を遅延させる請求項２記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項４】
上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１が６００℃以上９００℃以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項５】
上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１を６５０℃以上であり、時間Ｓ１を２０秒以上の予め設定した値に制御する請求項４記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項６】
上記通常時制御手段は、温度範囲を５０℃以上６００℃以下の予め設定した値に制御する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項７】
櫛歯状の上記一対の検出用電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する粒子状物質検出センサであって、
絶縁性基体の表面に一対の検出用電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、
上記検出部に導入される微粒子状物質の量に応じて変化する上記一対の検出用電極間の電気抵抗値を検出するとともに、上記ヒータ部への通電を制御する制御部を有し、
上記制御部には、
上記内燃機関の始動時に上記ヒータ部へ通電して、上記検出部の温度を微粒子状物質が燃焼可能な温度Ｔ１にて予め設定した時間Ｓ１保持し、上記検出部表面の微粒子状物質を燃焼除去する始動時燃焼制御手段と、
該始動時燃焼制御の後に、上記ヒータ部への通電を制御して上記検出部の温度を上記温度Ｔ１より低い温度範囲に保持し、上記検出部に付着する微粒子状物質の検出を行う通常時制御手段を設けることを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記制御部には、上記内燃機関の運転状態に基づいて、始動から上記ヒータ部へ通電するまでのタイミングを決定する通電タイミング決定手段を設けた請求項１記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記通電タイミング決定手段は、上記内燃機関の排気通路に存在する凝縮水による被水危険度を算出し、算出された被水危険度に応じて上記ヒータ部への通電を遅延させる請求項２記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項４】
上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１が６００℃以上９００℃以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項５】
上記始動時燃焼制御手段は、温度Ｔ１を６５０℃以上であり、時間Ｓ１を２０秒以上の予め設定した値に制御する請求項４記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項６】
上記通常時制御手段は、温度範囲を５０℃以上６００℃以下の予め設定した値に制御する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項７】
櫛歯状の上記一対の検出用電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子状物質検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２９６０（Ｐ２０１２−１２９６０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７８６２（Ｐ２０１０−１４７８６２）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【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１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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