粒子状物質検出装置、および排気ガス浄化装置の状態判定装置
【課題】正確な粒子状物質の捕集量の検出を実現する粒子状物質検出装置の提供。
【解決手段】粒子状物質を捕集する第一捕集部５１および第二捕集部５３であって、粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部５１および当該触媒作用を示さない第二捕集部５３、各捕集部５１，５３を加熱するヒータ５７、ならびに各捕集部５１，５３の示差熱を検知する熱電対５８を有し、排気ガス中に配置されるパティキュレートセンサ５０と、当該センサ５０によって検知される示差熱を積算することで第二捕集部５３によって捕集された粒子状物質の酸化反応による熱量を算出し、さらに予め記憶された熱量と捕集量との相関情報に基づいて、算出した当該熱量から第二捕集部５３に捕集された粒子状物質の捕集量を算出するセンサ制御装置４０を備える粒子状物質検出装置６０とする。
【解決手段】粒子状物質を捕集する第一捕集部５１および第二捕集部５３であって、粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部５１および当該触媒作用を示さない第二捕集部５３、各捕集部５１，５３を加熱するヒータ５７、ならびに各捕集部５１，５３の示差熱を検知する熱電対５８を有し、排気ガス中に配置されるパティキュレートセンサ５０と、当該センサ５０によって検知される示差熱を積算することで第二捕集部５３によって捕集された粒子状物質の酸化反応による熱量を算出し、さらに予め記憶された熱量と捕集量との相関情報に基づいて、算出した当該熱量から第二捕集部５３に捕集された粒子状物質の捕集量を算出するセンサ制御装置４０を備える粒子状物質検出装置６０とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置、および当該粒子状物質検出装置を利用した排気ガス浄化装置の状態判定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二つのパティキュレートセンサを排気ガス中に配置し、当該パティキュレートセンサ同士の示差熱を検知することで、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する技術が知られている。このような技術を用いた排ガス浄化装置として、特許文献１には、パティキュレートフィルタの上流側および下流側に、同一の酸化触媒によって構成されるパティキュレートセンサをそれぞれ配置し、各パティキュレートセンサを加熱する加熱装置、およびパティキュレートセンサ同士の示差熱を検知する熱電対を有する形態が開示されている。
【０００３】
具体的に、特許文献１に開示の排ガス浄化装置では、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に配置された上流側パティキュレートセンサには、パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中に配置された下流側パティキュレートセンサよりも、多量の粒子状物質が捕集される。各パティキュレートセンサを加熱装置によって加熱すると、酸化触媒作用によって、各パティキュレートセンサに捕集された粒子状物質が酸化反応を開始する。各パティキュレートセンサに捕集される粒子状物質量の違いによれば、示差熱が生じるものと推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２２３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の装置において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの雰囲気温度と、パティキュレートフィルタから流出する排気ガスの雰囲気温度とが一致し難い。詳しく説明すると、パティキュレートフィルタにおいて粒子状物質の酸化反応によって生じる熱量は、当該フィルタ周囲の雰囲気温度および粒子状物質の濃度に応じて変化する。そして、これら雰囲気温度および粒子状物質の濃度は、内燃機関の運転状態に応じて常に変動するものである。
【０００６】
以上のように、各パティキュレートセンサを異なる温度条件となる排気ガス中にそれぞれ配置する形態では、各パティキュレートセンサ周囲の雰囲気温度の違いによって、各パティキュレートセンサに捕集される粒子状物質量の違いを示差熱は正しく示すことができなかった。そして、この雰囲気温度の違いに起因した示差熱の検知誤差が、正確な粒子状物質の捕集量の検出を妨げる要因となっていたのである。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、示差熱を正しく検知することで、正確な粒子状物質の捕集量の検出を実現する粒子状物質検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、粒子状物質を捕集する第一捕集部および第二捕集部であって、粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部および第一捕集部よりも触媒作用の弱い第二捕集部、第一捕集部および第二捕集部を加熱する加熱部、ならびに第一捕集部および第二捕集部の示差熱を検知する示差熱検知部を有し、排気ガス中に配置される粒子状物質センサと、粒子状物質センサによって検知される示差熱を積算し、第一捕集部および第二捕集部で捕集された粒子状物質の酸化反応による熱量を算出する熱量算出手段と、熱量と捕集量との相関情報を予め記憶し、熱量算出手段によって算出される熱量から、相関情報に基づいて第一捕集部および第二捕集部に捕集される粒子状物質の捕集量を算出する捕集量算出手段と、を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置とする。
【０００９】
この発明によれば、排気ガス中に配置される粒子状物質センサの第一捕集部および第二捕集部には、同程度の粒子状物質が捕集される。第一および第二捕集部を加熱部によって加熱すると、第一捕集部の示す粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用によって、まず当該第一捕集部に捕集された粒子状物質が酸化反応を開始する。さらに第一および第二捕集部を加熱部によって加熱しつづけると、第一捕集部よりも触媒作用の弱い第二捕集部に捕集された粒子状物質が酸化を開始する。第一捕集部と第二捕集部との触媒作用の強さの違いによれば、示差熱が生じることとなる。
【００１０】
示差熱検知部によって検知される第一および第二捕集部の示差熱は、熱量算出手段によって積算される。この示差熱の積算によれば、第一捕集部および第二捕集部によって捕集された粒子状物質が酸化反応時に発した熱量を熱量演算手段によって算出できる。捕集量算出手段は、予め記憶されている相関情報に基づいて、熱量演算手段の算出した熱量から、第一捕集部および第二捕集部に捕集されていた粒子状物質の捕集量を算出することができるのである。
【００１１】
以上のように、第一および第二捕集部が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることによれば、第一および第二捕集部周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部および第二捕集部それぞれの触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、粒子状物質の捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。したがって、粒子状物質検出装置は、正確な粒子状物質の捕集量の検出を実現することができるのである。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、粒子状物質センサは、第一捕集部および第二捕集部を形成する基材をさらに有し、基材は、第一捕集部で触媒作用を示す触媒を担持し、第二捕集部では触媒を担持しないことを特徴とする。このように、触媒作用を示す触媒を基材上の第一捕集部でのみ担持し、第二捕集部では触媒を担持しない構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部および第二捕集部の形成は、さらに容易である。また請求項５に記載の発明では、粒子状物質センサは、第一捕集部および第二捕集部を形成する基材をさらに有し、基材は、第一捕集部で触媒作用を示す第一触媒を担持し、第二捕集部で第一触媒よりも触媒作用の弱い第二触媒を担持することを特徴とする。このように、基材上の第一捕集部および第二捕集部に、触媒作用の異なる第一触媒および第二触媒を担持させる構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部および第二捕集部を容易に形成できる。したがって、粒子状物質の捕集量を正しく反映した示差熱の検知に要する構成を、簡素化することができるのである。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、熱量算出手段は、触媒を担持しない第二捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算し、熱量を算出することを特徴とする。この発明によれば、触媒作用の無い第二捕集部における粒子状物質の酸化反応は、粒子状物質との接触性の違いによる影響を受け難い。故に、第二捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値は、第一捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値よりも、粒子状物質の捕集量を正確に示し得るのである。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、粒子状物質センサは、内燃機関からの排気ガスの流路である排気流路内に、第一捕集部および第二捕集部をともに排気ガスの流れ方向上流側を向けて、配置されることを特徴とする。この発明によれば、ともに排気ガスの流れ方向上流側を向けられた第一捕集部および第二捕集部は、粒子状物質の捕集を容易に行い得る。故に、含有する粒子状物質の濃度が薄い排気ガス中であっても、第一捕集部および第二捕集部には粒子状物質が捕集される。したがって、粒子状物質の検出を安定的に行う粒子状物質検出装置とすることができるのである。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、内燃機関の排気ガスの流路である排気流路内で粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の下流側に粒子状物質センサを配置し、粒子状物質の捕集量を検出することを特徴とする。上述したように、同一の雰囲気中に配置される第一捕集部および第二捕集部によれば、粒子状物質センサによる検知において、雰囲気温度に起因する誤差を抑制することができる。この検知誤差の抑制作用は、排気ガスの温度や粒子状物質の濃度に応じて雰囲気温度の激しく変動する粒子状物質除去装置の下流側に配置される粒子状物質センサにおいて、特に効果的に発揮されるものである。したがって、粒子状物質センサを粒子状物質除去装置の下流側に配置し、粒子状物質除去装置から流出する排気ガス中における粒子状物質の捕集量を検出する粒子状物質検出装置として、請求項６に記載の発明は特に好適なのである。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の粒子状物質検出装置と、所定の故障判定捕集量を記憶し、粒子状物質検出装置の検出する捕集量が故障判定捕集量を超えると、粒子状物質除去装置の故障判定を行う故障判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置とする。
【００１７】
また請求項８に記載の発明では、内燃機関の排気ガスの流路である排気流路内で粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の上流側に粒子状物質センサを配置し、粒子状物質の捕集量を検出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置と、所定の再生判定捕集量を記憶し、粒子状物質検出装置の検出する捕集量の積算が再生判定捕集量を超えると、粒子状物質除去装置の再生の要判定を行う再生判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置とする。 これらの発明によれば、状態判定装置は、粒子状物質除去装置から流出する排気ガスにおける粒子状物質の捕集量を正確に検出する粒子状物質検出装置の検出結果に基づいて、故障判定および再生の要判定を行うこととなる。故に、捕集量が記憶された故障判定捕集量を超えることで故障判定手段によって行われる故障判定、および捕集量が記憶された再生判定捕集量を超えることで再生判定手段によって行われる再生の要判定は、ともに高い正確性を備えることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置を備える内燃機関の構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態によるパティキュレートセンサの断面図である。
【図３】捕集された粒子状物質量と、発熱相当量との相関を説明するための図である。
【図４】パティキュレートセンサによって示差熱として検知されるＤＴＡの出力を示す模式図である。
【図５】本発明の第二実施形態によるパティキュレートセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第一実施形態）
本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置６０が用いられた内燃機関１０を図１に示す。内燃機関１０は、過給機１１、インタークーラ１２、吸気マニホールド１３、本体構造部１４、インジェクタ１５、排気マニホールド１６、排気ガス浄化フィルタ３０、尿素選択触媒還元（ＳＣＲ；Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システム１７、排気再循環（ＥＧＲ；Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム１８、粒子状物質検出装置６０、および機関制御装置２０等を組み合わせることによって構成されている。
【００２１】
過給機１１は、図示しないフィルタ等を通過した空気を加圧し、送り出す装置である。この過給機１１は、コンプレッサ部１１ａ、排気タービン部１１ｂ、およびこれらを収容するハウジング等によって構成されている。コンプレッサ部１１ａは、排気タービン部１１ｂとシャフト等によって直結されており、排気タービン部１１ｂの動力によって空気を吸入しつつ圧縮し、インタークーラ１２側へと送り出す。
【００２２】
インタークーラ１２は、空冷式の熱交換器であって、過給機１１内のコンプレッサ部１１ａの圧縮によって上昇した吸入空気の温度を低下させる。このインタークーラ１２によって冷却され密度の上昇した吸入空気は、吸気マニホールド１３側に送られる。吸気マニホールド１３は、本体構造部１４内に形成された各気筒の燃焼室へ吸入空気を均等に分配する。
【００２３】
本体構造部１４は、シリンダヘッド、シリンダブロック等によって構成されており、ピストンやクランクシャフト等の主運動系（図示しない）を収容している。第一実施形態の内燃機関１０は、本体構造部１４にシリンダが一方向に四つ並んでいる直列四気筒エンジンである。このシリンダの一部によって形成される燃焼室に向けて、インジェクタ１５は、燃料（具体的には軽油）を高圧（２０００気圧程度）で微粒化しつつ噴射する。噴射された燃料は、空気と接触しつつ燃焼し、排気ガスが生成されることとなる。この排気ガス中には、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、未燃の酸素（Ｏ２）の他、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、および固体炭素（Ｃ）を主成分とする粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれている。尚、ＰＭについてより詳しく説明すると、ＰＭは、固体炭素（Ｃ）の周囲に可溶性の炭化水素（ＳＯＦ；Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）、硫酸塩（サルフェート）、金属アッシュ分等が付着したものである。
【００２４】
排気マニホールド１６は、本体構造部１４内の燃焼室内で燃焼した排気ガスを集合させる流体経路である。この排気マニホールド１６は、排気ガスの温度に対して充分な耐熱性を備える耐熱合金によって形成されている。排気マニホールド１６は、過給機１１の排気タービン部１１ｂ側と連通しており、排気タービン部１１ｂへ排気ガスを供給する。排気タービン部１１ｂは、排気ガスのエネルギによって回転し、動力を発生させる。この排気タービン部１１ｂを通過した排気ガスは、排気ガス浄化フィルタ３０側へ移動する。
【００２５】
排気ガス浄化フィルタ３０は、金属製の薄板材よりなるケーシング部材３０ａ内に収容された、酸化触媒３１および捕集器３５等によって構成されている。酸化触媒３１は、珪素を主材料とするコーディエライト又は炭化珪素を担体とし、排気ガスの流れ方向に沿って貫通する微小な孔が複数配列されたウォールフロー型の触媒器である。この酸化触媒３１の担体は、触媒作用を発揮する物質として、例えば白金（Ｐｔ）等を担持している。捕集器３５は、ＰＭを捕集するためのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）であって、珪素を主材料とするコーディエライト又は炭化珪素によって形成され、排気ガスの流れ方向に沿った微小な孔を複数有している。この捕集器３５に複数配列された孔は、上流側又は下流側のいずれか一方の開口が塞がれている。隣接する孔同士で、塞ぐ側を上流側と下流側とを互いに入れ替えて配列することによれば、排気ガスは孔の壁部を通過することとなる。故に、この壁部の通過に際して、他の物質と比較して大きいＰＭは捕集され、堆積するのである。そして、排気ガス浄化フィルタ３０を通過した排気ガスは、排気管３７を通過して下流側の尿素ＳＣＲシステム１７側へ移動する。
【００２６】
ここで、排気ガス浄化フィルタ３０における、酸化触媒３１の作用についてさらに説明する。酸化触媒３１は、孔を通過する排気ガスに作用して、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を、排気ガス中に含まれるＯ２で酸化し、より酸化作用の強い二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する。そして捕集器３５では、捕集および堆積したＰＭに、酸化触媒３１によって生成されたＮＯ２を作用させ、ＰＭを酸化させることでＣＯ２とＮＯに分解する。尚、以上のようにＰＭをＣＯ２に変化させ、捕集器３５に堆積したＰＭを消滅させることを「再生」という。第一実施形態の排気ガス浄化フィルタ３０は、捕集器３５の上流側に配置された酸化触媒３１によって、排気ガスの温度が充分に高い条件下では、当該捕集器３５を連続再生することができる。
【００２７】
尿素ＳＣＲシステム１７は、排気ガス中のＮＯおよびＮＯ２等のＮＯｘに作用し、窒素（Ｎ２）とＨ２Ｏに還元する装置である。この尿素ＳＣＲシステム１７は、ＳＣＲ触媒１７ａ、および図示しない尿素水タンク、尿素水インジェクタ、ＳＣＲ制御装置を有している。尿素水タンクに蓄えられている尿素水は、ＳＣＲ制御装置の指示に基づいて作動する尿素水インジェクタによって、ＳＣＲ触媒１７ａの上流側に噴射される。排気ガス中に噴射された尿素水は、アンモニア（ＮＨ３）へと変化し、ＳＣＲ触媒１７ａに到達する。ＳＣＲ触媒１７ａは、このＮＨ３で内部を通過する排気ガス中のＮＯｘを還元する。尚、ＮＯｘを還元することなくＳＣＲ触媒１７ａを通過したＮＨ３の大気中への排出を防止するための酸化触媒を、ＳＣＲ触媒１７ａの下流側に有する尿素ＳＣＲシステム１７であってもよい。また、この尿素ＳＣＲシステム１７は省略されていてもよい。
【００２８】
ＥＧＲシステム１８は、排気ガスの一部を吸気側に再循環させるための構成であって、ＥＧＲ配管部１８ａ、ＥＧＲクーラ１８ｂ、ＥＧＲバルブ１８ｃ等を有している。この排気ガスの再循環によれば、燃焼室内の燃焼温度が低下することとなり、ＮＯｘの生成を低減することができる。ＥＧＲ配管部１８ａは、排気マニホールド１６と吸気マニホールド１３とを連通させる配管である。このＥＧＲ配管部１８ａの中間にＥＧＲクーラ１８ｂは設けられている。ＥＧＲクーラ１８ｂは、水冷式の熱交換器であって、内燃機関１０の冷却水によって高温の排気ガス温度を低下させることで、燃焼室への充填効率の低下防止と、吸入空気温度の低減を図る。ＥＧＲバルブ１８ｃは、ＥＧＲ配管部１８ａと吸気マニホールド１３との連通および遮断を切り替える。このＥＧＲバルブ１８ｃの遮断によれば、過給機１１の加圧によって吸気マニホールド１３内の圧力がＥＧＲシステム１８内の圧力を上回る場合であっても、排気マニホールド１６への排気ガスの逆流は防止される。
【００２９】
粒子状物質検出装置６０は、排気ガス浄化フィルタ３０から流出する排気ガス中に含まれるＰＭの量を検出する装置である。この粒子状物質検出装置６０は、パティキュレートセンサ５０およびセンサ制御装置４０を備えている。パティキュレートセンサ５０は、一定の時間、排気ガス中のＰＭを捕集し、捕集量に応じた検知結果をセンサ制御装置４０に供給する。センサ制御装置４０は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成されて、パティキュレートセンサ５０を制御するとともに、当該センサ５０の検知結果を取得する。センサ制御装置４０は、検知結果に基づいて、パティキュレートセンサ５０に捕集されたＰＭの捕集量を算出する。センサ制御装置４０は、算出結果を検出情報として機関制御装置２０に供給する。
【００３０】
機関制御装置２０は、マイクロコンピュータを主体に構成され、内燃機関１０および車載された種々のセンサによって取得された情報に基づいて、各インジェクタ１５による燃料の噴射時期および噴射量を制御する制御信号を出力している。加えて機関制御装置２０は、粒子状物質検出装置６０から取得した検出情報に基づいて排気ガス浄化フィルタ３０の状態判定を行う状態判定手段を兼ねている。この状態判定とは、具体的には、排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定や再生の要否判定等である。故障判定を行った機関制御装置２０は、車両に関する各種の情報を統轄する車両制御装置、および当該情報を運転者に報知するための表示装置（ともに図示しない）等と接続されている例えば車内ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の車載されたネットワーク上に、判定結果を配信する。
【００３１】
また、再生の要判定を行った機関制御装置２０の作動について、以下詳細に説明する。一般的に排気ガス浄化フィルタ３０の酸化触媒３１がＣＯを酸化させる作用を充分に発揮し得るには、摂氏２５０度程度を上回る雰囲気温度を要する。加えて、捕集器３５に堆積したＰＭが排気ガス中の酸素によって酸化される自己燃焼温度は摂氏６００度程度である。対して、ディーゼル機関である内燃機関１０の排気ガスの温度は、当該機関１０の通常稼動時において摂氏１５０〜２００度程度である。以上によれば、排気ガス浄化フィルタ３０の捕集器３５には、内燃機関１０の稼働に伴って、次第にＰＭが堆積してしまうこととなる。そして、多量に堆積したＰＭがいっせいに酸化を開始した場合、捕集器３５を熱によって損傷させてしまうのである。
【００３２】
そこで、粒子状物質検出装置６０の検出結果に基づいて捕集器３５へのＰＭの堆積量を演算し、予め定められた所定の捕集量を上回ったと推定した機関制御装置２０は、燃焼室に噴射する燃料のうち、特に燃焼後半において噴射される燃料量（ポスト噴射量）を増加させる。燃焼の後半で噴射された燃料は、燃焼室内では完全に燃焼せず、排気マニホールド１６および過給機１１内で燃焼することで、排気ガス温度を摂氏６００度を上回るまで上昇させる。この排気ガス温度の上昇によれば、酸化触媒３１内でのＮＯ２の生成が活発化するとともに、捕集器３５内でのＰＭのＮＯ２およびＯ２による酸化も活発に行われ、堆積していたＰＭを消滅せしめ、再生を実現することができるのである。
【００３３】
（特徴部分）
以下、本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置６０の特徴部分について詳細に説明する。
【００３４】
まずパティキュレートセンサ５０の構成について図２に基づいて説明する。パティキュレートセンサ５０は、基材５６、第一捕集部５１および第二捕集部５３、触媒５２、ヒータ５７、熱電対５８を有している。このパティキュレートセンサ５０は、内燃機関１０からの排気ガスの流路である排気管３７内に、第一捕集部５１および第二捕集部５３をともに排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘの上流側である排気ガス浄化フィルタ３０側を向けて、配置されている（図１参照）。
【００３５】
基材５６は、排気ガスに対する充分な耐熱性と耐腐食性とを備える例えばセラッミクス等によって矩形板状に形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コーディエライト、又はこれらに添加物を添加した材料等が基材５６の材料として好適である。第一捕集部５１および第二捕集部５３は、この基材５６上に隣接して形成されることで、同一雰囲気中に配置される。第一捕集部５１および第二捕集部５３は、基材５６の板厚方向に凹む穴部であって、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集する。加えて第一捕集部５１は、ＰＭの酸化反応を促進する触媒作用を示す。この第一捕集部５１の触媒作用は、基材５６上の第一捕集部５１に相当する穴部の表面に担持された触媒５２によって獲得されている。この触媒５２は、例えばゼオライトに、アルカリ金属元素源および／又はアルカリ土類金属元素源を混合した混合物である。この混合物は、一旦スラリー状にされて第一捕集部５１に塗布された後、摂氏２００度以上まで加熱することで担持される。また、基材５６上の第二捕集部５３に相当する穴部の表面には、触媒５２は担持されていない。以上によって、第二捕集部５３は第一捕集部５１よりも触媒作用が弱い構成とされている。
【００３６】
ヒータ５７および熱電対５８は、センサ制御装置４０と電気的に接続されている。ヒータ５７は、導電性の金属材料によって形成され、電流の印加によって発熱する。このヒータ５７は、基材５６内に設けられて、第一捕集部５１および第二捕集部５３と板厚方向に隣接している。ヒータ５７は、これら捕集部５１，５３を同時に加熱し、昇温させる。熱電対５８は、第一捕集部５１および第二捕集部５３と、ヒータ５７との間に配置されており、各捕集部５１，５３の示差熱を検知する。熱電対５８は、具体的にはアルメル線およびクロメル線等の異なる金属材料よりなる線材を組み合わせることにより構成されており、熱によって起電力を生じる。この熱電対５８は、第一捕集部５１および第二捕集部５３の温度を正確に検知するため、各捕集部５１，５３との距離は可能な限り小さくなるよう配置されることが好ましい。
【００３７】
次に図１および図２に基づいて、センサ制御装置４０によるパティキュレートセンサ５０の制御、および当該センサ５０による検知情報の処理について説明する。
【００３８】
センサ制御装置４０は、機関制御装置２０からの制御信号および電力の供給を受ける。センサ制御装置４０は、制御信号に基づいてヒータ５７に電流を印加し、加熱を開始することができる。またセンサ制御装置４０は、熱電対５８によって検知される示差熱を積算することで、第一捕集部５１および第二捕集部５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を算出することができる。さらに、センサ制御装置４０には、酸化反応による発熱相当量に基づいて第一捕集部５１および第二捕集部５３に捕集されたＰＭ量を算出するための相関情報（図３参照）が予め記憶されている。この相関情報は、事前の実験によって取得されたものであって、ＰＭの酸化反応時に放出される熱量のうち第一捕集部５１又は第二捕集部５３によって検知される発熱相当量とＰＭ量との間の比例関係を示すものである。センサ制御装置４０は、この相関情報に基づいて、熱電対５８の検知結果による熱量から、第一捕集部５１又は第二捕集部５３に捕集されたＰＭの捕集量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、算出した捕集量を検出結果として機関制御装置２０に出力するものである。
【００３９】
次に、機関制御装置２０による粒子状物質検出装置６０の制御について説明する。この機関制御装置２０は、粒子状物質検出装置６０等とともに排気ガス浄化フィルタ３０の状態判定を行う状態判定装置７０を構成している。
【００４０】
機関制御装置２０には、所定の故障判定捕集値および再生判定捕集値が記憶されている。これら故障判定捕集値および再生判定捕集値は、内燃機関１０が用いられる社会において、法規で定められたＰＭの排出ガス基準値に従うものである。具体的には、各排出ガス規制では、排出ガスを試験するための走行モード（日本であれば、例えばＪＣ０８＋ＪＣ０８Ｃモード法）が定められている。この走行モードで内燃機関１０を稼動させた場合において、ＰＭの排出ガス基準値を満たし得る排気ガス中に配置された第一捕集部５１又は第二捕集部５３に捕集されるＰＭの捕集量に基づいて、これら故障判定捕集値および再生判定捕集値は決定されていることが望ましい。
【００４１】
≪故障判定≫
以上のパティキュレートセンサ５０、センサ制御装置４０、および機関制御装置２０等よりなる状態判定装置７０が、排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定を行うプロセスを、図１，図２および図４に基づいて以下説明する。
【００４２】
内燃機関１０の一定時間の稼動によれば、排気ガス中に配置されたパティキュレートセンサ５０の第一捕集部５１および第二捕集部５３には、それぞれに同程度のＰＭが捕集された状態となる。この状態で機関制御装置２０は、ＰＭの捕集量の検出を実行する制御信号をセンサ制御装置４０に供給する。センサ制御装置４０は、機関制御装置２０から供給される電力を用いてヒータ５７に電流を印加することで、第一捕集部５１および第二捕集部５３を加熱させる。このヒータ５７の加熱によって、熱電対５８は第一捕集部５１と第二捕集部５３との示差熱を検知する。この熱電対５８で検知されて、センサ制御装置４０へ供給される示差熱分析（ＤＴＡ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）の出力を図４に示す。
【００４３】
ヒータ５７による加熱によって、第一捕集部５１および第二捕集部５３の温度はともに上昇する。すると、第一捕集部５１が示す触媒作用によって、まず当該第一捕集部５１に捕集されたＰＭが酸化反応を開始する。これによりＤＴＡの出力には、上側に凸となる波形が現れる。第一捕集部５１に捕集されたＰＭの酸化反応の開始後、さらに第一捕集部５１および第二捕集部５３の加熱が継続されると、ＰＭの自己燃焼温度である摂氏６００度を超えたところで、触媒作用を示さない第二捕集部５３に捕集されたＰＭが酸化反応を開始する。これにより、ＤＴＡの出力には、下側に凸となる波形が現れる。以上のように、第一捕集部５１および第二捕集部５３の触媒作用の違いによれば、示差熱が生じることとなる。
【００４４】
熱電対５８によって検知された示差熱は、センサ制御装置４０によって積算される。センサ制御装置４０は、具体的には、ＤＴＡの出力から第二捕集部５３によって捕集されたＰＭが酸化反応している間（図４、斜線部参照）の出力を積算する。この積算によってセンサ制御装置４０は、第二捕集部５３に捕集されたＰＭが酸化反応時の発熱による熱量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、記憶している相関情報に基づいて、算出した熱量から第二捕集部５３に捕集されていたＰＭの捕集量を算出する。
【００４５】
機関制御装置２０は、センサ制御装置４０によって検出されたＰＭの捕集量を取得して、当該捕集量と記憶しているＰＭの故障判定捕集量とを比較する。機関制御装置２０は、捕集量が故障判定捕集量を超えている場合、排気ガス浄化フィルタ３０が異常な状態であると推定し、当該フィルタ３０の故障判定を行う。この故障判定は、機関制御装置２０によって車内ＬＡＮ上に配信され、車両制御装置および表示装置（ともに図示しない）等によって取得されることで運転者等に報知される。
【００４６】
≪再生判定≫
次に、パティキュレートセンサ５０と実質的に同一のパティキュレートセンサ（図示しない）を用いて、センサ制御装置４０、および機関制御装置２０等よりなる状態判定装置が、排気ガス浄化フィルタ３０の再生の要判定を行うプロセスを以下説明する。この図示しないパティクレートセンサは、パティキュレートセンサ５０と異なり、排気ガス浄化フィルタ３０の上流側に配置されている。
【００４７】
機関制御装置２０は、センサ制御装置４０から取得した第二捕集部５３でのＰＭの捕集量を積算する。機関制御装置２０は、積算したＰＭの捕集量が記憶している再生判定捕集量を超えた場合、排気ガス浄化フィルタ３０に再生を要するだけのＰＭが堆積しているとみなし、再生の要判定を行う。この再生の要判定を行った機関制御装置２０は、インジェクタ１５への噴射信号を変更し、ポスト噴射量を増加することで排気ガス浄化フィルタ３０の再生を開始させる。
【００４８】
以上の説明したように第一実施形態では、第一捕集部５１および第二捕集部５３が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることで、各捕集部５１，５３周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部５１および第二捕集部５３それぞれの触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。したがって、粒子状物質検出装置６０は、正確なＰＭの捕集量の検出を実現することができるのである。
【００４９】
加えて第一実施形態では、触媒作用を示さない第二捕集部５３におけるＰＭの酸化反応は、粒子状物質との接触性の違いによる影響を受け難く、摂氏６００度に近い温度で開始される。故に、第二捕集部５３に捕集されるＰＭの酸化反応による示差熱を積算した熱量の値は、第一捕集部５１に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値よりも、ＰＭの捕集量を正確に示し得るのである。したがって、第二捕集部５３に捕集されるＰＭの捕集量を算出する粒子状物質検出装置６０は、さらに正確な捕集量の検出を実現し得るのである。
【００５０】
また第一実施形態では、触媒作用を示す触媒５２を基材５６上の第一捕集部５１でのみ担持する構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部５１および第二捕集部５３の形成はさらに容易となる。したがって、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知に要する構成を、簡素化することができるのである。
【００５１】
さらに第一実施形態では、ともに排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘ上流側を向けられた第一捕集部５１および第二捕集部５３は、ＰＭの捕集を容易に行い得る。故に、含有するＰＭの濃度が低い排気ガス中であっても、第一捕集部５１および第二捕集部５３にはＰＭが確実に捕集されることとなる。したがって、ＰＭの検出を安定的に行い得る粒子状物質検出装置６０とすることができるのである。
【００５２】
また加えて第一実施形態では、同一の雰囲気中に配置される第一捕集部５１および第二捕集部５３により、パティキュレートセンサ５０による検知における雰囲気温度に起因した誤差を抑制することができる。この検知誤差の抑制作用は、排気ガスの温度やＰＭの濃度に応じて雰囲気温度の激しく変動する排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置されるパティキュレートセンサ５０において、特に効果的に発揮されるものである。したがって、パティキュレートセンサ５０を排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置し、排気ガス浄化フィルタ３０から流出する排気ガス中におけるＰＭの捕集量を検出する粒子状物質検出装置６０として、本発明は特に好適なのである。
【００５３】
またさらに第一実施形態では、正確なＰＭの捕集量の検出を実現する粒子状物質検出装置６０を用いることで、排気ガス浄化フィルタ３０の故障の有無、および当該フィルタ３０に堆積しているＰＭ量を精度良く推測することができる。故に、故障判定および再生の要判定は、ともに高い正確性を備えることができる。特に、再生の要判定を精度良く行うことによれば、過剰な再生の実施を抑えることができるとともに、堆積したＰＭの自己燃焼による捕集器３５の損傷を未然に防ぐことができるのである。
【００５４】
尚、第一実施形態では、排気ガス浄化フィルタ３０が請求項に記載の「粒子状物質センサ」に、ヒータ５７が請求項に記載の「加熱部」に、熱電対５８が請求項に記載の「示差熱検知部」に、センサ制御装置４０が請求項に記載の「熱量算出手段」および「捕集量算出手段」に、排気管３７が請求項に記載の「排気流路」に、排気ガス浄化フィルタ３０が請求項に記載の「粒子状物質除去装置」に、機関制御装置２０が請求項に記載の「故障判定手段」および「再生判定手段」に、それぞれ相当する。
【００５５】
（第二実施形態）
本発明の第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。この第二実施形態によるパティキュレートセンサ２５０を図５に示す。パティキュレートセンサ２５０は、基材２５６、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３、第一触媒２５２、第二触媒２５４、ならびにパティキュレートセンサ５０と同様のヒータ５７および熱電対５８を有している。
【００５６】
基材２５６は、基材５６と同様に排気ガスに対する充分な耐熱性と耐腐食性とを備えるセラッミクス等によって形成されている。第一捕集部２５１および第二捕集部２５３は、基材２５６上に隣接して配置されており、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集する。これら第一捕集部２５１および第二捕集部２５３は、互いの面積が等しくなるよう形成されており、それぞれ第一触媒２５２および第二触媒２５４を担持している。これら第一触媒２５２および第二触媒２５４は、触媒５２と同様に、例えばゼオライトに、アルカリ金属元素源および／又はアルカリ土類金属元素源を混合した混合物によってなる。第一触媒２５２および第二触媒２５４は、一旦スラリー状にした後、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３にそれぞれ塗布され、摂氏２００度以上まで加熱することで担持される。ここで、第一触媒２５２および第二触媒２５４は、上述した混合の配分を変更する等の手法によって、それぞれの触媒作用の強さが異なっている。尚、第一触媒２５２および第二触媒２５４として異なる触媒物質を用いることで、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３に異なる強さの触媒作用が付与されていてもよい。以上によれば、第二実施形態のパティキュレートセンサ２５０においても、第二捕集部２５３は第一捕集部２５１よりも触媒作用が弱い構成となっている。
【００５７】
以上の構成によるパティキュレートセンサ２５０は、図１および図５に示すように、センサ制御装置４０によるヒータ５７への電流の印加によって、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３を加熱する。このヒータ５７の加熱によれば、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３に捕集されたＰＭが順次酸化反応を生じる。これにより、熱電対５８は第一捕集部２５１と第二捕集部２５３との示差熱を検知することとなる（ＤＴＡの出力は図４参照）。
【００５８】
センサ制御装置４０は、パティキュレートセンサ２５０の出力のうち、特に第二捕集部２５３によって捕集されたＰＭが酸化反応している間（図４、斜線部参照）の出力を積算する。この積算によってセンサ制御装置４０は、第二捕集部２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による発熱相当量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、記憶している相関情報（図３参照）に基づいて、算出した熱量から第二捕集部２５３に捕集されていたＰＭの捕集量を算出するのである。
【００５９】
以上の説明した第二実施形態においても、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることで、各捕集部２５１，２５３周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部５１および第二捕集部５３それぞれに担持される第一触媒２５２および第二触媒２５４の触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。以上によれば、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３がともに触媒作用を示す形態であっても、正確なＰＭの捕集量の検出を実現することができるのである。
【００６０】
（他の実施形態）
以上、本発明による複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。
【００６１】
上記実施形態においては、粒子状物質検出装置６０は、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を積算することにより、当該ＰＭの捕集量を算出していた。しかし、粒子状物質検出装置６０は、第一捕集部５１，２５１に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を積算することにより、当該ＰＭの捕集量を算出してもよい。又は、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量をともに積算し、これらの値の平均を当該ＰＭの捕集量として算出する粒子状物質検出装置６０であってもよい。
【００６２】
上記実施形態においては、パティキュレートセンサ５０，２５０の熱電対５８によるＤＴＡ出力は、第一捕集部５１，２５１に捕集されたＰＭの酸化によって上側に凸の波形を示し、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化によって下側に凸の波形を示した。しかし、熱電対５８と粒子状物質検出装置６０との接続の変更によれば、第一捕集部に捕集されたＰＭの酸化反応に際して下側に凸の波形を示し、第二捕集部に捕集されたＰＭの酸化反応に際して上側に凸の波形を示すＤＴＡの出力が当該装置６０へ供給される構成を実現し得る。この構成においても、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭが酸化反応をしている間である上側に凸の区間の出力を積算することによれば、より正確な捕集量の検出を実現し得るのである。
【００６３】
上記実施形態においては、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３は、ともに共通の基材５６，２５６上に形成されていた。しかし、ヒータ５７による加熱と熱電対５８による検知とがともに可能であれば、第一捕集部および第二捕集部はそれぞれ別の基材に設けられていてもよい。また、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部２５３は、それぞれ触媒作用を示す触媒物質を担持する構成であったが、例えば、触媒物質によって第一捕集部および第二捕集部が形成されていてもよい。さらに第一捕集部および第二捕集部は、ＰＭの捕集が可能であれば、その形状を限定するものではなく、例えば板厚方向に沿って外側に突出する形状であってもよい。また加えて、上述した触媒物質以外であっても、ＰＭの酸化反応を促進する触媒作用を示す物質であれば、触媒５２、第一触媒２５２、第二触媒２５４として適宜用いることができる。
【００６４】
上記実施形態においては、パティキュレートセンサ５０，２５０は、ともに第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３を排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘ上流側を向けて配置されていた。しかし、排気流路内へのパティキュレートセンサの配置の方向を限定するものではない。但し、第一捕集部および第二捕集部のＰＭの捕集量が同程度となるようパティキュレートセンサは配置されることが望ましい。
【００６５】
上記実施形態においては、機関制御装置２０は、センサ制御装置４０によって検出されたＰＭの捕集量と故障判定捕集量とを比較して、排気ガス浄化フィルタ３０の異常を判定していた。しかし、センサ制御装置４０によるＰＭの捕集量を複数回分保持し、当該捕集量が連続して故障判定捕集量を超えた場合に排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定を行うよう機関制御装置を設定し、当該フィルタ３０の異常判定の精度を向上させてもよい。
【００６６】
以上、ディーゼル機関である内燃機関１０の排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置されるパティキュレートセンサ５０，２５０を備え、当該フィルタ３０の状態を判定する状態判定装置７０に用いられる粒子状物質検出装置６０に本発明を適用した例を説明した。しかし、パティキュレートセンサの配置される位置は、排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に限定するものではなく、また粒子状物質検出装置６０の用途も当該フィルタ３０の状態判定に限定しない。例えば、排気ガス浄化フィルタ３０の上流側に配置されたパティキュレートセンサを備え、当該フィルタ３０へ流入するＰＭ量を検出する粒子状物質検出装置として本発明を用いてもよい。また、本発明は、ディーゼル機関に限らず、ＰＭの排出基準値が規制される内燃機関、具体的には、ガソリンを燃焼室内に直接的に噴射するオットーサイクル機関等に用いられ、排気ガス中のＰＭを検出する粒子状物質検出装置に適用されてもよい。さらには、燃料を燃焼させる外燃機関等からの排気ガスに含まれるＰＭを検出する粒子状物質検出装置に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 内燃機関、１１ 過給機、１１ａ コンプレッサ部、１１ｂ 排気タービン部、１２ インタークーラ、１３ 吸気マニホールド、１４ 本体構造部、１５ インジェクタ、１６ 排気マニホールド、１７ 尿素ＳＣＲシステム、１７ａ ＳＣＲ触媒、１８ ＥＧＲシステム、１８ａ ＥＧＲ配管部、１８ｂ ＥＧＲクーラ、１８ｃ ＥＧＲバルブ、２０ 機関制御装置（故障判定手段，再生判定手段）、３０ 排気ガス浄化フィルタ（粒子状物質除去装置）、３０ａ ケーシング部材、３１ 酸化触媒、３５ 捕集器、３７ 排気管（排気流路）、４０ センサ制御装置（熱量算出手段，捕集量算出手段）、５０，２５０ パティキュレートセンサ（粒子状物質センサ）、５１，２５１ 第一捕集部、５２ 触媒、２５２ 第一触媒、５３，２５３ 第二捕集部、２５４ 第二触媒、５６，２５６ 基材、５７ ヒータ（加熱部）、５８ 熱電対（示差熱検知部）、６０ 粒子状物質検出装置、７０ 状態判定装置、ＦＤｅｘ 流れ方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置、および当該粒子状物質検出装置を利用した排気ガス浄化装置の状態判定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二つのパティキュレートセンサを排気ガス中に配置し、当該パティキュレートセンサ同士の示差熱を検知することで、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する技術が知られている。このような技術を用いた排ガス浄化装置として、特許文献１には、パティキュレートフィルタの上流側および下流側に、同一の酸化触媒によって構成されるパティキュレートセンサをそれぞれ配置し、各パティキュレートセンサを加熱する加熱装置、およびパティキュレートセンサ同士の示差熱を検知する熱電対を有する形態が開示されている。
【０００３】
具体的に、特許文献１に開示の排ガス浄化装置では、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中に配置された上流側パティキュレートセンサには、パティキュレートフィルタから流出する排気ガス中に配置された下流側パティキュレートセンサよりも、多量の粒子状物質が捕集される。各パティキュレートセンサを加熱装置によって加熱すると、酸化触媒作用によって、各パティキュレートセンサに捕集された粒子状物質が酸化反応を開始する。各パティキュレートセンサに捕集される粒子状物質量の違いによれば、示差熱が生じるものと推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２２３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の装置において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの雰囲気温度と、パティキュレートフィルタから流出する排気ガスの雰囲気温度とが一致し難い。詳しく説明すると、パティキュレートフィルタにおいて粒子状物質の酸化反応によって生じる熱量は、当該フィルタ周囲の雰囲気温度および粒子状物質の濃度に応じて変化する。そして、これら雰囲気温度および粒子状物質の濃度は、内燃機関の運転状態に応じて常に変動するものである。
【０００６】
以上のように、各パティキュレートセンサを異なる温度条件となる排気ガス中にそれぞれ配置する形態では、各パティキュレートセンサ周囲の雰囲気温度の違いによって、各パティキュレートセンサに捕集される粒子状物質量の違いを示差熱は正しく示すことができなかった。そして、この雰囲気温度の違いに起因した示差熱の検知誤差が、正確な粒子状物質の捕集量の検出を妨げる要因となっていたのである。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、示差熱を正しく検知することで、正確な粒子状物質の捕集量の検出を実現する粒子状物質検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、粒子状物質を捕集する第一捕集部および第二捕集部であって、粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部および第一捕集部よりも触媒作用の弱い第二捕集部、第一捕集部および第二捕集部を加熱する加熱部、ならびに第一捕集部および第二捕集部の示差熱を検知する示差熱検知部を有し、排気ガス中に配置される粒子状物質センサと、粒子状物質センサによって検知される示差熱を積算し、第一捕集部および第二捕集部で捕集された粒子状物質の酸化反応による熱量を算出する熱量算出手段と、熱量と捕集量との相関情報を予め記憶し、熱量算出手段によって算出される熱量から、相関情報に基づいて第一捕集部および第二捕集部に捕集される粒子状物質の捕集量を算出する捕集量算出手段と、を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置とする。
【０００９】
この発明によれば、排気ガス中に配置される粒子状物質センサの第一捕集部および第二捕集部には、同程度の粒子状物質が捕集される。第一および第二捕集部を加熱部によって加熱すると、第一捕集部の示す粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用によって、まず当該第一捕集部に捕集された粒子状物質が酸化反応を開始する。さらに第一および第二捕集部を加熱部によって加熱しつづけると、第一捕集部よりも触媒作用の弱い第二捕集部に捕集された粒子状物質が酸化を開始する。第一捕集部と第二捕集部との触媒作用の強さの違いによれば、示差熱が生じることとなる。
【００１０】
示差熱検知部によって検知される第一および第二捕集部の示差熱は、熱量算出手段によって積算される。この示差熱の積算によれば、第一捕集部および第二捕集部によって捕集された粒子状物質が酸化反応時に発した熱量を熱量演算手段によって算出できる。捕集量算出手段は、予め記憶されている相関情報に基づいて、熱量演算手段の算出した熱量から、第一捕集部および第二捕集部に捕集されていた粒子状物質の捕集量を算出することができるのである。
【００１１】
以上のように、第一および第二捕集部が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることによれば、第一および第二捕集部周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部および第二捕集部それぞれの触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、粒子状物質の捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。したがって、粒子状物質検出装置は、正確な粒子状物質の捕集量の検出を実現することができるのである。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、粒子状物質センサは、第一捕集部および第二捕集部を形成する基材をさらに有し、基材は、第一捕集部で触媒作用を示す触媒を担持し、第二捕集部では触媒を担持しないことを特徴とする。このように、触媒作用を示す触媒を基材上の第一捕集部でのみ担持し、第二捕集部では触媒を担持しない構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部および第二捕集部の形成は、さらに容易である。また請求項５に記載の発明では、粒子状物質センサは、第一捕集部および第二捕集部を形成する基材をさらに有し、基材は、第一捕集部で触媒作用を示す第一触媒を担持し、第二捕集部で第一触媒よりも触媒作用の弱い第二触媒を担持することを特徴とする。このように、基材上の第一捕集部および第二捕集部に、触媒作用の異なる第一触媒および第二触媒を担持させる構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部および第二捕集部を容易に形成できる。したがって、粒子状物質の捕集量を正しく反映した示差熱の検知に要する構成を、簡素化することができるのである。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、熱量算出手段は、触媒を担持しない第二捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算し、熱量を算出することを特徴とする。この発明によれば、触媒作用の無い第二捕集部における粒子状物質の酸化反応は、粒子状物質との接触性の違いによる影響を受け難い。故に、第二捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値は、第一捕集部に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値よりも、粒子状物質の捕集量を正確に示し得るのである。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、粒子状物質センサは、内燃機関からの排気ガスの流路である排気流路内に、第一捕集部および第二捕集部をともに排気ガスの流れ方向上流側を向けて、配置されることを特徴とする。この発明によれば、ともに排気ガスの流れ方向上流側を向けられた第一捕集部および第二捕集部は、粒子状物質の捕集を容易に行い得る。故に、含有する粒子状物質の濃度が薄い排気ガス中であっても、第一捕集部および第二捕集部には粒子状物質が捕集される。したがって、粒子状物質の検出を安定的に行う粒子状物質検出装置とすることができるのである。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、内燃機関の排気ガスの流路である排気流路内で粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の下流側に粒子状物質センサを配置し、粒子状物質の捕集量を検出することを特徴とする。上述したように、同一の雰囲気中に配置される第一捕集部および第二捕集部によれば、粒子状物質センサによる検知において、雰囲気温度に起因する誤差を抑制することができる。この検知誤差の抑制作用は、排気ガスの温度や粒子状物質の濃度に応じて雰囲気温度の激しく変動する粒子状物質除去装置の下流側に配置される粒子状物質センサにおいて、特に効果的に発揮されるものである。したがって、粒子状物質センサを粒子状物質除去装置の下流側に配置し、粒子状物質除去装置から流出する排気ガス中における粒子状物質の捕集量を検出する粒子状物質検出装置として、請求項６に記載の発明は特に好適なのである。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の粒子状物質検出装置と、所定の故障判定捕集量を記憶し、粒子状物質検出装置の検出する捕集量が故障判定捕集量を超えると、粒子状物質除去装置の故障判定を行う故障判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置とする。
【００１７】
また請求項８に記載の発明では、内燃機関の排気ガスの流路である排気流路内で粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の上流側に粒子状物質センサを配置し、粒子状物質の捕集量を検出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置と、所定の再生判定捕集量を記憶し、粒子状物質検出装置の検出する捕集量の積算が再生判定捕集量を超えると、粒子状物質除去装置の再生の要判定を行う再生判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置とする。 これらの発明によれば、状態判定装置は、粒子状物質除去装置から流出する排気ガスにおける粒子状物質の捕集量を正確に検出する粒子状物質検出装置の検出結果に基づいて、故障判定および再生の要判定を行うこととなる。故に、捕集量が記憶された故障判定捕集量を超えることで故障判定手段によって行われる故障判定、および捕集量が記憶された再生判定捕集量を超えることで再生判定手段によって行われる再生の要判定は、ともに高い正確性を備えることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置を備える内燃機関の構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態によるパティキュレートセンサの断面図である。
【図３】捕集された粒子状物質量と、発熱相当量との相関を説明するための図である。
【図４】パティキュレートセンサによって示差熱として検知されるＤＴＡの出力を示す模式図である。
【図５】本発明の第二実施形態によるパティキュレートセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第一実施形態）
本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置６０が用いられた内燃機関１０を図１に示す。内燃機関１０は、過給機１１、インタークーラ１２、吸気マニホールド１３、本体構造部１４、インジェクタ１５、排気マニホールド１６、排気ガス浄化フィルタ３０、尿素選択触媒還元（ＳＣＲ；Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システム１７、排気再循環（ＥＧＲ；Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム１８、粒子状物質検出装置６０、および機関制御装置２０等を組み合わせることによって構成されている。
【００２１】
過給機１１は、図示しないフィルタ等を通過した空気を加圧し、送り出す装置である。この過給機１１は、コンプレッサ部１１ａ、排気タービン部１１ｂ、およびこれらを収容するハウジング等によって構成されている。コンプレッサ部１１ａは、排気タービン部１１ｂとシャフト等によって直結されており、排気タービン部１１ｂの動力によって空気を吸入しつつ圧縮し、インタークーラ１２側へと送り出す。
【００２２】
インタークーラ１２は、空冷式の熱交換器であって、過給機１１内のコンプレッサ部１１ａの圧縮によって上昇した吸入空気の温度を低下させる。このインタークーラ１２によって冷却され密度の上昇した吸入空気は、吸気マニホールド１３側に送られる。吸気マニホールド１３は、本体構造部１４内に形成された各気筒の燃焼室へ吸入空気を均等に分配する。
【００２３】
本体構造部１４は、シリンダヘッド、シリンダブロック等によって構成されており、ピストンやクランクシャフト等の主運動系（図示しない）を収容している。第一実施形態の内燃機関１０は、本体構造部１４にシリンダが一方向に四つ並んでいる直列四気筒エンジンである。このシリンダの一部によって形成される燃焼室に向けて、インジェクタ１５は、燃料（具体的には軽油）を高圧（２０００気圧程度）で微粒化しつつ噴射する。噴射された燃料は、空気と接触しつつ燃焼し、排気ガスが生成されることとなる。この排気ガス中には、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、未燃の酸素（Ｏ２）の他、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、および固体炭素（Ｃ）を主成分とする粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれている。尚、ＰＭについてより詳しく説明すると、ＰＭは、固体炭素（Ｃ）の周囲に可溶性の炭化水素（ＳＯＦ；Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）、硫酸塩（サルフェート）、金属アッシュ分等が付着したものである。
【００２４】
排気マニホールド１６は、本体構造部１４内の燃焼室内で燃焼した排気ガスを集合させる流体経路である。この排気マニホールド１６は、排気ガスの温度に対して充分な耐熱性を備える耐熱合金によって形成されている。排気マニホールド１６は、過給機１１の排気タービン部１１ｂ側と連通しており、排気タービン部１１ｂへ排気ガスを供給する。排気タービン部１１ｂは、排気ガスのエネルギによって回転し、動力を発生させる。この排気タービン部１１ｂを通過した排気ガスは、排気ガス浄化フィルタ３０側へ移動する。
【００２５】
排気ガス浄化フィルタ３０は、金属製の薄板材よりなるケーシング部材３０ａ内に収容された、酸化触媒３１および捕集器３５等によって構成されている。酸化触媒３１は、珪素を主材料とするコーディエライト又は炭化珪素を担体とし、排気ガスの流れ方向に沿って貫通する微小な孔が複数配列されたウォールフロー型の触媒器である。この酸化触媒３１の担体は、触媒作用を発揮する物質として、例えば白金（Ｐｔ）等を担持している。捕集器３５は、ＰＭを捕集するためのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）であって、珪素を主材料とするコーディエライト又は炭化珪素によって形成され、排気ガスの流れ方向に沿った微小な孔を複数有している。この捕集器３５に複数配列された孔は、上流側又は下流側のいずれか一方の開口が塞がれている。隣接する孔同士で、塞ぐ側を上流側と下流側とを互いに入れ替えて配列することによれば、排気ガスは孔の壁部を通過することとなる。故に、この壁部の通過に際して、他の物質と比較して大きいＰＭは捕集され、堆積するのである。そして、排気ガス浄化フィルタ３０を通過した排気ガスは、排気管３７を通過して下流側の尿素ＳＣＲシステム１７側へ移動する。
【００２６】
ここで、排気ガス浄化フィルタ３０における、酸化触媒３１の作用についてさらに説明する。酸化触媒３１は、孔を通過する排気ガスに作用して、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を、排気ガス中に含まれるＯ２で酸化し、より酸化作用の強い二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する。そして捕集器３５では、捕集および堆積したＰＭに、酸化触媒３１によって生成されたＮＯ２を作用させ、ＰＭを酸化させることでＣＯ２とＮＯに分解する。尚、以上のようにＰＭをＣＯ２に変化させ、捕集器３５に堆積したＰＭを消滅させることを「再生」という。第一実施形態の排気ガス浄化フィルタ３０は、捕集器３５の上流側に配置された酸化触媒３１によって、排気ガスの温度が充分に高い条件下では、当該捕集器３５を連続再生することができる。
【００２７】
尿素ＳＣＲシステム１７は、排気ガス中のＮＯおよびＮＯ２等のＮＯｘに作用し、窒素（Ｎ２）とＨ２Ｏに還元する装置である。この尿素ＳＣＲシステム１７は、ＳＣＲ触媒１７ａ、および図示しない尿素水タンク、尿素水インジェクタ、ＳＣＲ制御装置を有している。尿素水タンクに蓄えられている尿素水は、ＳＣＲ制御装置の指示に基づいて作動する尿素水インジェクタによって、ＳＣＲ触媒１７ａの上流側に噴射される。排気ガス中に噴射された尿素水は、アンモニア（ＮＨ３）へと変化し、ＳＣＲ触媒１７ａに到達する。ＳＣＲ触媒１７ａは、このＮＨ３で内部を通過する排気ガス中のＮＯｘを還元する。尚、ＮＯｘを還元することなくＳＣＲ触媒１７ａを通過したＮＨ３の大気中への排出を防止するための酸化触媒を、ＳＣＲ触媒１７ａの下流側に有する尿素ＳＣＲシステム１７であってもよい。また、この尿素ＳＣＲシステム１７は省略されていてもよい。
【００２８】
ＥＧＲシステム１８は、排気ガスの一部を吸気側に再循環させるための構成であって、ＥＧＲ配管部１８ａ、ＥＧＲクーラ１８ｂ、ＥＧＲバルブ１８ｃ等を有している。この排気ガスの再循環によれば、燃焼室内の燃焼温度が低下することとなり、ＮＯｘの生成を低減することができる。ＥＧＲ配管部１８ａは、排気マニホールド１６と吸気マニホールド１３とを連通させる配管である。このＥＧＲ配管部１８ａの中間にＥＧＲクーラ１８ｂは設けられている。ＥＧＲクーラ１８ｂは、水冷式の熱交換器であって、内燃機関１０の冷却水によって高温の排気ガス温度を低下させることで、燃焼室への充填効率の低下防止と、吸入空気温度の低減を図る。ＥＧＲバルブ１８ｃは、ＥＧＲ配管部１８ａと吸気マニホールド１３との連通および遮断を切り替える。このＥＧＲバルブ１８ｃの遮断によれば、過給機１１の加圧によって吸気マニホールド１３内の圧力がＥＧＲシステム１８内の圧力を上回る場合であっても、排気マニホールド１６への排気ガスの逆流は防止される。
【００２９】
粒子状物質検出装置６０は、排気ガス浄化フィルタ３０から流出する排気ガス中に含まれるＰＭの量を検出する装置である。この粒子状物質検出装置６０は、パティキュレートセンサ５０およびセンサ制御装置４０を備えている。パティキュレートセンサ５０は、一定の時間、排気ガス中のＰＭを捕集し、捕集量に応じた検知結果をセンサ制御装置４０に供給する。センサ制御装置４０は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成されて、パティキュレートセンサ５０を制御するとともに、当該センサ５０の検知結果を取得する。センサ制御装置４０は、検知結果に基づいて、パティキュレートセンサ５０に捕集されたＰＭの捕集量を算出する。センサ制御装置４０は、算出結果を検出情報として機関制御装置２０に供給する。
【００３０】
機関制御装置２０は、マイクロコンピュータを主体に構成され、内燃機関１０および車載された種々のセンサによって取得された情報に基づいて、各インジェクタ１５による燃料の噴射時期および噴射量を制御する制御信号を出力している。加えて機関制御装置２０は、粒子状物質検出装置６０から取得した検出情報に基づいて排気ガス浄化フィルタ３０の状態判定を行う状態判定手段を兼ねている。この状態判定とは、具体的には、排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定や再生の要否判定等である。故障判定を行った機関制御装置２０は、車両に関する各種の情報を統轄する車両制御装置、および当該情報を運転者に報知するための表示装置（ともに図示しない）等と接続されている例えば車内ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の車載されたネットワーク上に、判定結果を配信する。
【００３１】
また、再生の要判定を行った機関制御装置２０の作動について、以下詳細に説明する。一般的に排気ガス浄化フィルタ３０の酸化触媒３１がＣＯを酸化させる作用を充分に発揮し得るには、摂氏２５０度程度を上回る雰囲気温度を要する。加えて、捕集器３５に堆積したＰＭが排気ガス中の酸素によって酸化される自己燃焼温度は摂氏６００度程度である。対して、ディーゼル機関である内燃機関１０の排気ガスの温度は、当該機関１０の通常稼動時において摂氏１５０〜２００度程度である。以上によれば、排気ガス浄化フィルタ３０の捕集器３５には、内燃機関１０の稼働に伴って、次第にＰＭが堆積してしまうこととなる。そして、多量に堆積したＰＭがいっせいに酸化を開始した場合、捕集器３５を熱によって損傷させてしまうのである。
【００３２】
そこで、粒子状物質検出装置６０の検出結果に基づいて捕集器３５へのＰＭの堆積量を演算し、予め定められた所定の捕集量を上回ったと推定した機関制御装置２０は、燃焼室に噴射する燃料のうち、特に燃焼後半において噴射される燃料量（ポスト噴射量）を増加させる。燃焼の後半で噴射された燃料は、燃焼室内では完全に燃焼せず、排気マニホールド１６および過給機１１内で燃焼することで、排気ガス温度を摂氏６００度を上回るまで上昇させる。この排気ガス温度の上昇によれば、酸化触媒３１内でのＮＯ２の生成が活発化するとともに、捕集器３５内でのＰＭのＮＯ２およびＯ２による酸化も活発に行われ、堆積していたＰＭを消滅せしめ、再生を実現することができるのである。
【００３３】
（特徴部分）
以下、本発明の第一実施形態による粒子状物質検出装置６０の特徴部分について詳細に説明する。
【００３４】
まずパティキュレートセンサ５０の構成について図２に基づいて説明する。パティキュレートセンサ５０は、基材５６、第一捕集部５１および第二捕集部５３、触媒５２、ヒータ５７、熱電対５８を有している。このパティキュレートセンサ５０は、内燃機関１０からの排気ガスの流路である排気管３７内に、第一捕集部５１および第二捕集部５３をともに排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘの上流側である排気ガス浄化フィルタ３０側を向けて、配置されている（図１参照）。
【００３５】
基材５６は、排気ガスに対する充分な耐熱性と耐腐食性とを備える例えばセラッミクス等によって矩形板状に形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、コーディエライト、又はこれらに添加物を添加した材料等が基材５６の材料として好適である。第一捕集部５１および第二捕集部５３は、この基材５６上に隣接して形成されることで、同一雰囲気中に配置される。第一捕集部５１および第二捕集部５３は、基材５６の板厚方向に凹む穴部であって、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集する。加えて第一捕集部５１は、ＰＭの酸化反応を促進する触媒作用を示す。この第一捕集部５１の触媒作用は、基材５６上の第一捕集部５１に相当する穴部の表面に担持された触媒５２によって獲得されている。この触媒５２は、例えばゼオライトに、アルカリ金属元素源および／又はアルカリ土類金属元素源を混合した混合物である。この混合物は、一旦スラリー状にされて第一捕集部５１に塗布された後、摂氏２００度以上まで加熱することで担持される。また、基材５６上の第二捕集部５３に相当する穴部の表面には、触媒５２は担持されていない。以上によって、第二捕集部５３は第一捕集部５１よりも触媒作用が弱い構成とされている。
【００３６】
ヒータ５７および熱電対５８は、センサ制御装置４０と電気的に接続されている。ヒータ５７は、導電性の金属材料によって形成され、電流の印加によって発熱する。このヒータ５７は、基材５６内に設けられて、第一捕集部５１および第二捕集部５３と板厚方向に隣接している。ヒータ５７は、これら捕集部５１，５３を同時に加熱し、昇温させる。熱電対５８は、第一捕集部５１および第二捕集部５３と、ヒータ５７との間に配置されており、各捕集部５１，５３の示差熱を検知する。熱電対５８は、具体的にはアルメル線およびクロメル線等の異なる金属材料よりなる線材を組み合わせることにより構成されており、熱によって起電力を生じる。この熱電対５８は、第一捕集部５１および第二捕集部５３の温度を正確に検知するため、各捕集部５１，５３との距離は可能な限り小さくなるよう配置されることが好ましい。
【００３７】
次に図１および図２に基づいて、センサ制御装置４０によるパティキュレートセンサ５０の制御、および当該センサ５０による検知情報の処理について説明する。
【００３８】
センサ制御装置４０は、機関制御装置２０からの制御信号および電力の供給を受ける。センサ制御装置４０は、制御信号に基づいてヒータ５７に電流を印加し、加熱を開始することができる。またセンサ制御装置４０は、熱電対５８によって検知される示差熱を積算することで、第一捕集部５１および第二捕集部５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を算出することができる。さらに、センサ制御装置４０には、酸化反応による発熱相当量に基づいて第一捕集部５１および第二捕集部５３に捕集されたＰＭ量を算出するための相関情報（図３参照）が予め記憶されている。この相関情報は、事前の実験によって取得されたものであって、ＰＭの酸化反応時に放出される熱量のうち第一捕集部５１又は第二捕集部５３によって検知される発熱相当量とＰＭ量との間の比例関係を示すものである。センサ制御装置４０は、この相関情報に基づいて、熱電対５８の検知結果による熱量から、第一捕集部５１又は第二捕集部５３に捕集されたＰＭの捕集量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、算出した捕集量を検出結果として機関制御装置２０に出力するものである。
【００３９】
次に、機関制御装置２０による粒子状物質検出装置６０の制御について説明する。この機関制御装置２０は、粒子状物質検出装置６０等とともに排気ガス浄化フィルタ３０の状態判定を行う状態判定装置７０を構成している。
【００４０】
機関制御装置２０には、所定の故障判定捕集値および再生判定捕集値が記憶されている。これら故障判定捕集値および再生判定捕集値は、内燃機関１０が用いられる社会において、法規で定められたＰＭの排出ガス基準値に従うものである。具体的には、各排出ガス規制では、排出ガスを試験するための走行モード（日本であれば、例えばＪＣ０８＋ＪＣ０８Ｃモード法）が定められている。この走行モードで内燃機関１０を稼動させた場合において、ＰＭの排出ガス基準値を満たし得る排気ガス中に配置された第一捕集部５１又は第二捕集部５３に捕集されるＰＭの捕集量に基づいて、これら故障判定捕集値および再生判定捕集値は決定されていることが望ましい。
【００４１】
≪故障判定≫
以上のパティキュレートセンサ５０、センサ制御装置４０、および機関制御装置２０等よりなる状態判定装置７０が、排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定を行うプロセスを、図１，図２および図４に基づいて以下説明する。
【００４２】
内燃機関１０の一定時間の稼動によれば、排気ガス中に配置されたパティキュレートセンサ５０の第一捕集部５１および第二捕集部５３には、それぞれに同程度のＰＭが捕集された状態となる。この状態で機関制御装置２０は、ＰＭの捕集量の検出を実行する制御信号をセンサ制御装置４０に供給する。センサ制御装置４０は、機関制御装置２０から供給される電力を用いてヒータ５７に電流を印加することで、第一捕集部５１および第二捕集部５３を加熱させる。このヒータ５７の加熱によって、熱電対５８は第一捕集部５１と第二捕集部５３との示差熱を検知する。この熱電対５８で検知されて、センサ制御装置４０へ供給される示差熱分析（ＤＴＡ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）の出力を図４に示す。
【００４３】
ヒータ５７による加熱によって、第一捕集部５１および第二捕集部５３の温度はともに上昇する。すると、第一捕集部５１が示す触媒作用によって、まず当該第一捕集部５１に捕集されたＰＭが酸化反応を開始する。これによりＤＴＡの出力には、上側に凸となる波形が現れる。第一捕集部５１に捕集されたＰＭの酸化反応の開始後、さらに第一捕集部５１および第二捕集部５３の加熱が継続されると、ＰＭの自己燃焼温度である摂氏６００度を超えたところで、触媒作用を示さない第二捕集部５３に捕集されたＰＭが酸化反応を開始する。これにより、ＤＴＡの出力には、下側に凸となる波形が現れる。以上のように、第一捕集部５１および第二捕集部５３の触媒作用の違いによれば、示差熱が生じることとなる。
【００４４】
熱電対５８によって検知された示差熱は、センサ制御装置４０によって積算される。センサ制御装置４０は、具体的には、ＤＴＡの出力から第二捕集部５３によって捕集されたＰＭが酸化反応している間（図４、斜線部参照）の出力を積算する。この積算によってセンサ制御装置４０は、第二捕集部５３に捕集されたＰＭが酸化反応時の発熱による熱量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、記憶している相関情報に基づいて、算出した熱量から第二捕集部５３に捕集されていたＰＭの捕集量を算出する。
【００４５】
機関制御装置２０は、センサ制御装置４０によって検出されたＰＭの捕集量を取得して、当該捕集量と記憶しているＰＭの故障判定捕集量とを比較する。機関制御装置２０は、捕集量が故障判定捕集量を超えている場合、排気ガス浄化フィルタ３０が異常な状態であると推定し、当該フィルタ３０の故障判定を行う。この故障判定は、機関制御装置２０によって車内ＬＡＮ上に配信され、車両制御装置および表示装置（ともに図示しない）等によって取得されることで運転者等に報知される。
【００４６】
≪再生判定≫
次に、パティキュレートセンサ５０と実質的に同一のパティキュレートセンサ（図示しない）を用いて、センサ制御装置４０、および機関制御装置２０等よりなる状態判定装置が、排気ガス浄化フィルタ３０の再生の要判定を行うプロセスを以下説明する。この図示しないパティクレートセンサは、パティキュレートセンサ５０と異なり、排気ガス浄化フィルタ３０の上流側に配置されている。
【００４７】
機関制御装置２０は、センサ制御装置４０から取得した第二捕集部５３でのＰＭの捕集量を積算する。機関制御装置２０は、積算したＰＭの捕集量が記憶している再生判定捕集量を超えた場合、排気ガス浄化フィルタ３０に再生を要するだけのＰＭが堆積しているとみなし、再生の要判定を行う。この再生の要判定を行った機関制御装置２０は、インジェクタ１５への噴射信号を変更し、ポスト噴射量を増加することで排気ガス浄化フィルタ３０の再生を開始させる。
【００４８】
以上の説明したように第一実施形態では、第一捕集部５１および第二捕集部５３が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることで、各捕集部５１，５３周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部５１および第二捕集部５３それぞれの触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。したがって、粒子状物質検出装置６０は、正確なＰＭの捕集量の検出を実現することができるのである。
【００４９】
加えて第一実施形態では、触媒作用を示さない第二捕集部５３におけるＰＭの酸化反応は、粒子状物質との接触性の違いによる影響を受け難く、摂氏６００度に近い温度で開始される。故に、第二捕集部５３に捕集されるＰＭの酸化反応による示差熱を積算した熱量の値は、第一捕集部５１に捕集される粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算した熱量の値よりも、ＰＭの捕集量を正確に示し得るのである。したがって、第二捕集部５３に捕集されるＰＭの捕集量を算出する粒子状物質検出装置６０は、さらに正確な捕集量の検出を実現し得るのである。
【００５０】
また第一実施形態では、触媒作用を示す触媒５２を基材５６上の第一捕集部５１でのみ担持する構成によれば、触媒作用の異なる第一捕集部５１および第二捕集部５３の形成はさらに容易となる。したがって、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知に要する構成を、簡素化することができるのである。
【００５１】
さらに第一実施形態では、ともに排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘ上流側を向けられた第一捕集部５１および第二捕集部５３は、ＰＭの捕集を容易に行い得る。故に、含有するＰＭの濃度が低い排気ガス中であっても、第一捕集部５１および第二捕集部５３にはＰＭが確実に捕集されることとなる。したがって、ＰＭの検出を安定的に行い得る粒子状物質検出装置６０とすることができるのである。
【００５２】
また加えて第一実施形態では、同一の雰囲気中に配置される第一捕集部５１および第二捕集部５３により、パティキュレートセンサ５０による検知における雰囲気温度に起因した誤差を抑制することができる。この検知誤差の抑制作用は、排気ガスの温度やＰＭの濃度に応じて雰囲気温度の激しく変動する排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置されるパティキュレートセンサ５０において、特に効果的に発揮されるものである。したがって、パティキュレートセンサ５０を排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置し、排気ガス浄化フィルタ３０から流出する排気ガス中におけるＰＭの捕集量を検出する粒子状物質検出装置６０として、本発明は特に好適なのである。
【００５３】
またさらに第一実施形態では、正確なＰＭの捕集量の検出を実現する粒子状物質検出装置６０を用いることで、排気ガス浄化フィルタ３０の故障の有無、および当該フィルタ３０に堆積しているＰＭ量を精度良く推測することができる。故に、故障判定および再生の要判定は、ともに高い正確性を備えることができる。特に、再生の要判定を精度良く行うことによれば、過剰な再生の実施を抑えることができるとともに、堆積したＰＭの自己燃焼による捕集器３５の損傷を未然に防ぐことができるのである。
【００５４】
尚、第一実施形態では、排気ガス浄化フィルタ３０が請求項に記載の「粒子状物質センサ」に、ヒータ５７が請求項に記載の「加熱部」に、熱電対５８が請求項に記載の「示差熱検知部」に、センサ制御装置４０が請求項に記載の「熱量算出手段」および「捕集量算出手段」に、排気管３７が請求項に記載の「排気流路」に、排気ガス浄化フィルタ３０が請求項に記載の「粒子状物質除去装置」に、機関制御装置２０が請求項に記載の「故障判定手段」および「再生判定手段」に、それぞれ相当する。
【００５５】
（第二実施形態）
本発明の第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。この第二実施形態によるパティキュレートセンサ２５０を図５に示す。パティキュレートセンサ２５０は、基材２５６、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３、第一触媒２５２、第二触媒２５４、ならびにパティキュレートセンサ５０と同様のヒータ５７および熱電対５８を有している。
【００５６】
基材２５６は、基材５６と同様に排気ガスに対する充分な耐熱性と耐腐食性とを備えるセラッミクス等によって形成されている。第一捕集部２５１および第二捕集部２５３は、基材２５６上に隣接して配置されており、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集する。これら第一捕集部２５１および第二捕集部２５３は、互いの面積が等しくなるよう形成されており、それぞれ第一触媒２５２および第二触媒２５４を担持している。これら第一触媒２５２および第二触媒２５４は、触媒５２と同様に、例えばゼオライトに、アルカリ金属元素源および／又はアルカリ土類金属元素源を混合した混合物によってなる。第一触媒２５２および第二触媒２５４は、一旦スラリー状にした後、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３にそれぞれ塗布され、摂氏２００度以上まで加熱することで担持される。ここで、第一触媒２５２および第二触媒２５４は、上述した混合の配分を変更する等の手法によって、それぞれの触媒作用の強さが異なっている。尚、第一触媒２５２および第二触媒２５４として異なる触媒物質を用いることで、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３に異なる強さの触媒作用が付与されていてもよい。以上によれば、第二実施形態のパティキュレートセンサ２５０においても、第二捕集部２５３は第一捕集部２５１よりも触媒作用が弱い構成となっている。
【００５７】
以上の構成によるパティキュレートセンサ２５０は、図１および図５に示すように、センサ制御装置４０によるヒータ５７への電流の印加によって、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３を加熱する。このヒータ５７の加熱によれば、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３に捕集されたＰＭが順次酸化反応を生じる。これにより、熱電対５８は第一捕集部２５１と第二捕集部２５３との示差熱を検知することとなる（ＤＴＡの出力は図４参照）。
【００５８】
センサ制御装置４０は、パティキュレートセンサ２５０の出力のうち、特に第二捕集部２５３によって捕集されたＰＭが酸化反応している間（図４、斜線部参照）の出力を積算する。この積算によってセンサ制御装置４０は、第二捕集部２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による発熱相当量を算出する。そしてセンサ制御装置４０は、記憶している相関情報（図３参照）に基づいて、算出した熱量から第二捕集部２５３に捕集されていたＰＭの捕集量を算出するのである。
【００５９】
以上の説明した第二実施形態においても、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３が同じ温度条件の排気ガス中に配置されることで、各捕集部２５１，２５３周囲の雰囲気温度に起因した示差熱の検知誤差を抑制し得る。加えて、第一捕集部５１および第二捕集部５３それぞれに担持される第一触媒２５２および第二触媒２５４の触媒作用の強さを変えることで、同一雰囲気中であっても、ＰＭの捕集量を正しく反映した示差熱の検知が実現する。以上によれば、第一捕集部２５１および第二捕集部２５３がともに触媒作用を示す形態であっても、正確なＰＭの捕集量の検出を実現することができるのである。
【００６０】
（他の実施形態）
以上、本発明による複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。
【００６１】
上記実施形態においては、粒子状物質検出装置６０は、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を積算することにより、当該ＰＭの捕集量を算出していた。しかし、粒子状物質検出装置６０は、第一捕集部５１，２５１に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量を積算することにより、当該ＰＭの捕集量を算出してもよい。又は、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化反応による熱量をともに積算し、これらの値の平均を当該ＰＭの捕集量として算出する粒子状物質検出装置６０であってもよい。
【００６２】
上記実施形態においては、パティキュレートセンサ５０，２５０の熱電対５８によるＤＴＡ出力は、第一捕集部５１，２５１に捕集されたＰＭの酸化によって上側に凸の波形を示し、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭの酸化によって下側に凸の波形を示した。しかし、熱電対５８と粒子状物質検出装置６０との接続の変更によれば、第一捕集部に捕集されたＰＭの酸化反応に際して下側に凸の波形を示し、第二捕集部に捕集されたＰＭの酸化反応に際して上側に凸の波形を示すＤＴＡの出力が当該装置６０へ供給される構成を実現し得る。この構成においても、第二捕集部５３，２５３に捕集されたＰＭが酸化反応をしている間である上側に凸の区間の出力を積算することによれば、より正確な捕集量の検出を実現し得るのである。
【００６３】
上記実施形態においては、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３は、ともに共通の基材５６，２５６上に形成されていた。しかし、ヒータ５７による加熱と熱電対５８による検知とがともに可能であれば、第一捕集部および第二捕集部はそれぞれ別の基材に設けられていてもよい。また、第一捕集部５１，２５１および第二捕集部２５３は、それぞれ触媒作用を示す触媒物質を担持する構成であったが、例えば、触媒物質によって第一捕集部および第二捕集部が形成されていてもよい。さらに第一捕集部および第二捕集部は、ＰＭの捕集が可能であれば、その形状を限定するものではなく、例えば板厚方向に沿って外側に突出する形状であってもよい。また加えて、上述した触媒物質以外であっても、ＰＭの酸化反応を促進する触媒作用を示す物質であれば、触媒５２、第一触媒２５２、第二触媒２５４として適宜用いることができる。
【００６４】
上記実施形態においては、パティキュレートセンサ５０，２５０は、ともに第一捕集部５１，２５１および第二捕集部５３，２５３を排気ガスの流れ方向ＦＤｅｘ上流側を向けて配置されていた。しかし、排気流路内へのパティキュレートセンサの配置の方向を限定するものではない。但し、第一捕集部および第二捕集部のＰＭの捕集量が同程度となるようパティキュレートセンサは配置されることが望ましい。
【００６５】
上記実施形態においては、機関制御装置２０は、センサ制御装置４０によって検出されたＰＭの捕集量と故障判定捕集量とを比較して、排気ガス浄化フィルタ３０の異常を判定していた。しかし、センサ制御装置４０によるＰＭの捕集量を複数回分保持し、当該捕集量が連続して故障判定捕集量を超えた場合に排気ガス浄化フィルタ３０の故障判定を行うよう機関制御装置を設定し、当該フィルタ３０の異常判定の精度を向上させてもよい。
【００６６】
以上、ディーゼル機関である内燃機関１０の排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に配置されるパティキュレートセンサ５０，２５０を備え、当該フィルタ３０の状態を判定する状態判定装置７０に用いられる粒子状物質検出装置６０に本発明を適用した例を説明した。しかし、パティキュレートセンサの配置される位置は、排気ガス浄化フィルタ３０の下流側に限定するものではなく、また粒子状物質検出装置６０の用途も当該フィルタ３０の状態判定に限定しない。例えば、排気ガス浄化フィルタ３０の上流側に配置されたパティキュレートセンサを備え、当該フィルタ３０へ流入するＰＭ量を検出する粒子状物質検出装置として本発明を用いてもよい。また、本発明は、ディーゼル機関に限らず、ＰＭの排出基準値が規制される内燃機関、具体的には、ガソリンを燃焼室内に直接的に噴射するオットーサイクル機関等に用いられ、排気ガス中のＰＭを検出する粒子状物質検出装置に適用されてもよい。さらには、燃料を燃焼させる外燃機関等からの排気ガスに含まれるＰＭを検出する粒子状物質検出装置に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 内燃機関、１１ 過給機、１１ａ コンプレッサ部、１１ｂ 排気タービン部、１２ インタークーラ、１３ 吸気マニホールド、１４ 本体構造部、１５ インジェクタ、１６ 排気マニホールド、１７ 尿素ＳＣＲシステム、１７ａ ＳＣＲ触媒、１８ ＥＧＲシステム、１８ａ ＥＧＲ配管部、１８ｂ ＥＧＲクーラ、１８ｃ ＥＧＲバルブ、２０ 機関制御装置（故障判定手段，再生判定手段）、３０ 排気ガス浄化フィルタ（粒子状物質除去装置）、３０ａ ケーシング部材、３１ 酸化触媒、３５ 捕集器、３７ 排気管（排気流路）、４０ センサ制御装置（熱量算出手段，捕集量算出手段）、５０，２５０ パティキュレートセンサ（粒子状物質センサ）、５１，２５１ 第一捕集部、５２ 触媒、２５２ 第一触媒、５３，２５３ 第二捕集部、２５４ 第二触媒、５６，２５６ 基材、５７ ヒータ（加熱部）、５８ 熱電対（示差熱検知部）、６０ 粒子状物質検出装置、７０ 状態判定装置、ＦＤｅｘ 流れ方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
前記粒子状物質を捕集する第一捕集部および第二捕集部であって、前記粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部および前記第一捕集部よりも前記触媒作用の弱い第二捕集部、前記第一捕集部および前記第二捕集部を加熱する加熱部、ならびに前記第一捕集部および前記第二捕集部の示差熱を検知する示差熱検知部を有し、前記排気ガス中に配置される粒子状物質センサと、
前記粒子状物質センサによって検知される示差熱を積算し、前記第一捕集部および前記第二捕集部で捕集された前記粒子状物質の酸化反応による熱量を算出する熱量算出手段と、
前記熱量と捕集量との相関情報を予め記憶し、前記熱量算出手段によって算出される前記熱量から、前記相関情報に基づいて前記第一捕集部および前記第二捕集部に捕集される前記粒子状物質の前記捕集量を算出する捕集量算出手段と、を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記粒子状物質センサは、前記第一捕集部および前記第二捕集部を形成する基材をさらに有し、
前記基材は、前記第一捕集部で前記触媒作用を示す触媒を担持し、前記第二捕集部では前記触媒を担持しないことを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記熱量算出手段は、前記第二捕集部に捕集される前記粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算し、前記熱量を算出することを特徴とする請求項２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記粒子状物質センサは、前記第一捕集部および前記第二捕集部を形成する基材をさらに有し、
前記基材は、前記第一捕集部で前記触媒作用を示す第一触媒を担持し、前記第二捕集部で前記第一触媒よりも前記触媒作用の弱い第二触媒を担持することを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記粒子状物質センサは、前記内燃機関からの前記排気ガスの流路である排気流路内に、前記第一捕集部および前記第二捕集部をともに前記排気ガスの流れ方向上流側を向けて、配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
前記内燃機関の前記排気ガスの流路である排気流路内で前記粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の下流側に前記粒子状物質センサを配置し、前記粒子状物質の捕集量を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の粒子状物質検出装置と、
所定の故障判定捕集量を記憶し、前記粒子状物質検出装置の検出する前記捕集量が前記故障判定捕集量を超えると、前記粒子状物質除去装置の故障判定を行う故障判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置。
【請求項８】
前記内燃機関の前記排気ガスの流路である排気流路内で前記粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の上流側に前記粒子状物質センサを配置し、前記粒子状物質の捕集量を検出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置と、
所定の再生判定捕集量を記憶し、前記粒子状物質検出装置の検出する前記捕集量の積算が前記再生判定捕集量を超えると、前記粒子状物質除去装置の再生の要判定を行う再生判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置。
【請求項１】
内燃機関の排気ガスに含まれる粒子状物質を検出する粒子状物質検出装置であって、
前記粒子状物質を捕集する第一捕集部および第二捕集部であって、前記粒子状物質の酸化反応を促進する触媒作用を示す第一捕集部および前記第一捕集部よりも前記触媒作用の弱い第二捕集部、前記第一捕集部および前記第二捕集部を加熱する加熱部、ならびに前記第一捕集部および前記第二捕集部の示差熱を検知する示差熱検知部を有し、前記排気ガス中に配置される粒子状物質センサと、
前記粒子状物質センサによって検知される示差熱を積算し、前記第一捕集部および前記第二捕集部で捕集された前記粒子状物質の酸化反応による熱量を算出する熱量算出手段と、
前記熱量と捕集量との相関情報を予め記憶し、前記熱量算出手段によって算出される前記熱量から、前記相関情報に基づいて前記第一捕集部および前記第二捕集部に捕集される前記粒子状物質の前記捕集量を算出する捕集量算出手段と、を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記粒子状物質センサは、前記第一捕集部および前記第二捕集部を形成する基材をさらに有し、
前記基材は、前記第一捕集部で前記触媒作用を示す触媒を担持し、前記第二捕集部では前記触媒を担持しないことを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記熱量算出手段は、前記第二捕集部に捕集される前記粒子状物質の酸化反応による示差熱を積算し、前記熱量を算出することを特徴とする請求項２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記粒子状物質センサは、前記第一捕集部および前記第二捕集部を形成する基材をさらに有し、
前記基材は、前記第一捕集部で前記触媒作用を示す第一触媒を担持し、前記第二捕集部で前記第一触媒よりも前記触媒作用の弱い第二触媒を担持することを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記粒子状物質センサは、前記内燃機関からの前記排気ガスの流路である排気流路内に、前記第一捕集部および前記第二捕集部をともに前記排気ガスの流れ方向上流側を向けて、配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
前記内燃機関の前記排気ガスの流路である排気流路内で前記粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の下流側に前記粒子状物質センサを配置し、前記粒子状物質の捕集量を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の粒子状物質検出装置と、
所定の故障判定捕集量を記憶し、前記粒子状物質検出装置の検出する前記捕集量が前記故障判定捕集量を超えると、前記粒子状物質除去装置の故障判定を行う故障判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置。
【請求項８】
前記内燃機関の前記排気ガスの流路である排気流路内で前記粒子状物質を除去する粒子状物質除去装置の上流側に前記粒子状物質センサを配置し、前記粒子状物質の捕集量を検出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置と、
所定の再生判定捕集量を記憶し、前記粒子状物質検出装置の検出する前記捕集量の積算が前記再生判定捕集量を超えると、前記粒子状物質除去装置の再生の要判定を行う再生判定手段と、を備えることを特徴とする状態判定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２８５９１７（Ｐ２０１０−２８５９１７Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３９４２４（Ｐ２００９−１３９４２４）
【出願日】平成２１年６月１０日（２００９．６．１０）
【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２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１０日（２００９．６．１０）
【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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