粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障検知装置
【課題】電極部の再生時とＰＭの集塵・検知時とで、測定回路を切換える必要が無く、１つの測定回路でＰＭの検出が可能なＰＭセンサおよびこれを用いたＤＰＦの故障判定装置を提供すること。
【解決手段】電極部と、電極部に測定電圧を印加して静電容量を測定する測定手段と、静電容量の変化に基づいてＰＭの量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、電極部を再生する電極部再生手段と、静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段と、を備えるＰＭセンサであって、粒子状物質検出手段は、電極部に検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、ＰＭ量に相関のある値を検出し、再生完了判定手段は、電極部の再生の実行時において、電極部に印加する測定電圧の周波数を検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更したうえで測定された静電容量に基づいて、電極部の再生の完了を判定する。
【解決手段】電極部と、電極部に測定電圧を印加して静電容量を測定する測定手段と、静電容量の変化に基づいてＰＭの量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、電極部を再生する電極部再生手段と、静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段と、を備えるＰＭセンサであって、粒子状物質検出手段は、電極部に検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、ＰＭ量に相関のある値を検出し、再生完了判定手段は、電極部の再生の実行時において、電極部に印加する測定電圧の周波数を検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更したうえで測定された静電容量に基づいて、電極部の再生の完了を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気管に、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタを設け、粒子状物質の排出量を低減する技術が広く用いられている。また、排気浄化フィルタが設けられた車両には、排気浄化フィルタの故障を検知するための装置が設けられる。この故障検知装置は、排気に含まれる粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの下流に備え、この粒子状物質検出装置の出力に基づいて、排気浄化フィルタの故障を検知する。
【０００３】
上記粒子状物質検出装置として、例えば、多孔質の導電性物質で構成された電極部を備える粒子状物質検出装置が提案されている（特許文献１参照）。この粒子状物質検出装置は、粒子状物質が自然に集塵されて付着することによる電極部の電気抵抗値の変化を測定し、この測定値に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の濃度を検出する。電極部に付着させることができる粒子状物質の量には限界があるため、検出後は、例えばヒータなどの加熱手段によって、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する。
【０００４】
また、例えば、静電集塵式の粒子状物質検出装置が提案されている（特許文献２参照）。この静電集塵式の粒子状物質検出装置では、一対の電極板で構成された電極部を排気管内に設け、この検出電極に所定の電圧を印加することで粒子状物質を積極的に集塵して検出電極に付着させる。次に、粒子状物質が付着した電極部の静電容量などの電気的特性を測定することにより、排気の粒子状物質の濃度を検出する。上記特許文献１の粒子状物質検出装置と同様に、検出後は、例えばヒータなどの加熱手段によって、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する。
【０００５】
ところで、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する際には、付着した粒子状物質の燃焼除去が完了し、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が必要となる。
かかる手段としては、例えば、粒子状物質の付着量に応じて、付着した粒子状物質の燃焼除去に要する所定時間を予め実験を行うことにより求めておき、かかる所定時間が経過したか否かに基づいて、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が挙げられる。
また、上記特許文献２のように、電極部の静電容量に基づいて、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２６６９６１号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、予め設定した所定時間が経過したか否かに基づいて電極部の再生が完了したか否かを判定する手段では、判定の精度が低く、再生時間を長めに設定する必要がある。そのため、再生による消費電力が増大して燃費が悪化するうえ、粒子状物質の検出頻度が減少する結果、排気浄化フィルタの故障検知回数が減少してしまう。
【０００８】
一方、上記特許文献２で用いる粒子状物質の静電容量は、温度によって大きく変動し、運転条件や排気浄化フィルタの再生などの外部要因による影響を大きく受ける。具体的には、粒子状物質の静電容量は、温度が高くなるにつれて増大する。そのため、特に電極部の再生時においては、電極部を５５０℃以上にまで昇温させることから、電極部に付着した粒子状物質の静電容量は顕著に増大する。
【０００９】
このように、電極部の再生時には、検出される粒子状物質の静電容量が顕著に増大するため、測定回路の測定レンジは広く設定される。これに対して、粒子状物質の集塵・検知時には、高い測定精度が求められるとともに、温度が比較的低い条件下での検出であるため、測定レンジは狭く設定される。即ち、電極部の再生時と、粒子状物質の集塵・検知時とでは、静電容量を検出するための測定回路に求められる測定レンジが大きく異なる。そのため、上記特許文献２の粒子状物質検出装置では、測定レンジの異なる少なくとも２つの測定回路を備える必要があり、コストの増加を招いてしまう。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換える必要が無く、１つの測定回路で粒子状物質の検出が可能な粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障判定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気管４）に設けられた電極部（例えば、後述の電極板１３０，１３１および集塵部１２０）と、前記電極部に測定電圧を印加して前記電極部の静電容量を測定する測定手段（例えば、後述のセンサ制御ユニット１７）と、前記測定手段によって測定される静電容量が前記電極部に粒子状物質が付着することにより変化する特性に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段（例えば、後述のＥＣＵ５およびセンサ制御ユニット１７）と、前記粒子状物質検出手段による検出を実行した後、前記電極部に付着している粒子状物質を燃焼除去することで前記電極部を再生する電極部再生手段（例えば、後述のヒータ層１２２，１２９およびセンサ制御ユニット１７）と、前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５，センサ制御ユニット１７および図１１のステップＳ６４の実行に係る手段）と、を備える粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ５）を提供する。この粒子状物質検出装置は、前記測定手段によって印加される交流の測定電圧の周波数を変更する周波数変更手段（例えば、後述のＥＣＵ５，センサ制御ユニット１７および図１１のステップＳ６１の実行に係る手段）を備え、前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記再生完了判定手段は、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の実行時において、前記周波数変更手段によって前記電極部に印加する測定電圧の周波数を前記検出用周波数よりも高い再生用周波数（例えば、後述の再生用周波数ｆｚ）に変更したうえで前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、粒子状物質の集塵・検知時には、周波数が低い検出用周波数の測定電圧を電極部に印加して静電容量を測定し、測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する構成とした。また、検出後に実行する電極部の再生時には、検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する構成とした。
【００１３】
ここで、周波数をｆ、インピーダンスをＺｃとしたときに、静電容量Ｃは、１／（２πｆＺｃ）で表され、図１に示すように、周波数ｆが高くなるにつれて静電容量Ｃは小さくなる特性を有する。そのため、各周波数の静電容量変化は、理論的には図２に示す通りとなるが、実際の粒子状物質では、不特定な要因によって曲線の立ち上り部分や収束位置がずれて、図３に示すような周波数特性を示す。この図３から、周波数を高くすることによって、粒子状物質の静電容量の測定値を小さくできることが分かる。
【００１４】
また、再生時における電極部の静電容量Ｃの温度特性を図４に示す。図４に示すように、電極部を昇温させたときには、粒子状物質（ＰＭ）が付着していない場合に比べて、付着している場合の方が静電容量Ｃの変化が顕著に大きい。具体的には、粒子状物質が電極部に付着していない場合には、電極部の温度がおよそ５００℃付近に達した後、電極部の静電容量Ｃは緩やかに増大する。これに対して、粒子状物質が電極部に付着している場合には、温度Ｔ２（４００℃）で静電容量Ｃは急激に増大し始め、粒子状物質の燃焼温度である温度Ｔ１（５５０℃）まで指数関数的に増大する。この図４から、粒子状物質が付着した電極部の再生時には、静電容量Ｃは顕著に増大し、集塵・検知時に比べて広い測定レンジが必要であることが分かる。
【００１５】
そこで、本発明によれば、静電容量が顕著に増大する電極部の再生時に、粒子状物質の集塵・検知時に比べて高い周波数の測定電圧に切換える構成としたため、測定される静電容量の値を小さくできる。これにより、測定電圧の周波数を高周波数化することによって、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となり、測定回路の切換えを行うことなく、測定された静電容量に基づいて再生の完了を判定できる。従って、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換えることなく１つの測定回路で粒子状物質を検出でき、コストを削減できる。
また、例えば１つの測定回路で測定レンジを広げた場合と比べて、精度良く静電容量を測定でき、再生の完了を精度良く判定できる。
【００１６】
この場合、前記周波数変更手段は、第１の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）と、当該第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆｂ）の少なくとも２つの検出用周波数に切換え可能であり、前記粒子状物質検出手段（例えば、後述の図１４の処理の実行に係る手段）は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ３）に達したときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することが好ましい。
【００１７】
本発明では、粒子状物質の集塵・検知時において、先ず、周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する構成とした。また、電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値に達したときには、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換えて静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続する構成とした。
これにより、周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加して測定された静電容量が所定の上限値にまで達したときに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換えることにより、測定される静電容量の値を小さくでき、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となる。そのため、静電容量の変化の検出を継続でき、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続して行うことができる。従って、検出時間を長く確保することができるため、粒子状物質の量に相関のある値の検出頻度を高めて検出精度を向上できる。また、検出精度を向上できるため、電極部の再生回数を低減でき、燃費を向上できる。
また、この発明によれば、検出時間を長く確保できるため連続測定に近い測定が可能となり、排気浄化フィルタの故障判定以外の内燃機関制御にも利用できる。
【００１８】
この場合、前記所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ３）は、前記電極部に粒子状物質が付着することにより、前記電極部の静電容量に有意な変化が現れる上限値であることが好ましい。
【００１９】
この発明では、第１の検出用周波数の測定電圧を印加して測定した電極部の静電容量が、有意な変化が現れる上限値に達したときに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換える構成とした。
これにより、第１の検出用周波数の測定電圧を印加することによって静電容量の変化を検出可能な限界まで静電容量の測定を行った後に、第２の検出用周波数に切換えて静電容量の測定を継続できる。そのため、検出時間をより長く確保することができるため、検出頻度をより高めて検出精度をより向上できる。
【００２０】
また、本発明では、内燃機関の排気系に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタ（例えば、後述のＤＰＦ３）の故障検知装置（例えば、後述のＥＣＵ５Ａおよびセンサ制御ユニット１７）を提供する。この故障検知装置は、前記排気浄化フィルタの下流に設けられた請求項２または３記載の粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ）と、前記粒子状物質検出手段によって検出された排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値（例えば、後述のＰＭ捕集率Ｘ）に基づいて、前記排気浄化フィルタの故障を判定する故障判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａ，センサ制御ユニット１７および図１６のステップＳ７３４〜Ｓ７３６の実行に係る手段）と、前記故障判定手段による故障判定を実行するか否かを判定する実行判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａ，センサ制御ユニット１７および図１６のステップＳ７２７の実行に係る手段）と、前記第１の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）の測定電圧を印加して静電容量を測定していた期間における前記内燃機関からの粒子状物質の排出量を算出する排出量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａおよび図１６のステップＳ７２５，Ｓ７２８，Ｓ７３２の実行に係る手段）と、を備え、前記実行判定手段は、前記排出量が所定量（例えば、後述の閾値Ｙ１）以上であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行すると判定し、前記排出量が前記所定量未満であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定し、前記粒子状物質検出手段（例えば、後述の図１６のステップＳ７２１〜Ｓ７３３の実行に係る手段）は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が前記所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ５）に達しかつ前記実行判定手段によって前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定されたときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆｂ）に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする。
【００２１】
この発明では、電極部に粒子状物質が付着することによって、第１の検出用周波数の測定電圧で測定された静電容量が所定の上限値に達し、かつ内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定量以上であるときには、排気浄化フィルタの故障判定を実行する構成とした。また、静電容量が所定の上限値に達し、かつ内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定量未満であるときには、排気浄化フィルタの故障判定を実行せずに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数に切換えたうえで粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続し、故障判定を実行する構成とした。
これにより、第１の検出用周波数の測定電圧を印加した状態で、排気浄化フィルタの故障判定が精度良く行える所定量以上の粒子状物質が排出されていたときに故障判定を実行するため、精度の高い故障判定ができる。一方、故障判定が精度良く行える所定量の粒子状物質が排出されていなかったときには故障判定を実行しないため、誤判定のおそれを回避できる。また、この場合には、より高い周波数の第２の検出用周波数に切換えることによって、第２の検出用周波数の測定電圧で測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続し、かかる値に基づいた故障判定を再度、実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
ところで、測定精度としては周波数の低い測定電圧の方が高いため、より周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加した状態で測定を行うのが望ましい。これに対して、故障判定では、測定レンジを広く使って静電容量の測定および粒子状物質の量に相関のある値の検出を行うことにより、高い判定精度が得られる。そのため、第１の検出用周波数の測定電圧で、複数回に分割して故障判定を実行した場合にあっては、故障判定の精度は大きく低下する。そこで、本発明によれば、第１の検出用周波数の測定電圧下で測定可能な限界まで測定を行った後、粒子状物質の排出量が少ない場合には故障判定を実行せずに、より高い第２の検出用周波数に切換えたうえで測定、検出を継続し、故障判定を実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換える必要が無く、１つの測定回路で粒子状物質の検出が可能な粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障判定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】周波数と静電容量との関係を示す図である。
【図２】各周波数の静電容量変化を示す図である。
【図３】粒子状物質の静電容量の周波数特性を示す図である。
【図４】再生時における電極部の静電容量の温度特性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＰＭセンサが適用されたエンジンの排気浄化装置の構成を示す図である。
【図６】上記実施形態に係るＰＭセンサの概略構成を示す図である。
【図７】上記実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。
【図８】上記実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図である。
【図９】上記実施形態に係るセンサ素子の集塵部内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。
【図１０】上記実施形態に係るＥＣＵによるＰＭセンサの制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】上記実施形態に係るＰＭセンサの電極部再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】再生時における電極部の静電容量の周波数特性を示す図である。
【図１３】再生時における電極部の静電容量変化を示す図である。
【図１４】上記実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【図１５】周波数の切換えを実行したときの静電容量の変化を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】ＰＭ総排出量と静電容量との関係を示す図である。
【図１８】ＰＭ捕集率とＰＭエミッション値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態以後の説明において、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図５は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成を示す模式図である。
内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、各気筒内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）」という）５により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。
【００２６】
エンジン１の排気が流通する排気管４には、排気に含まれる炭素を主成分とした粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を捕集し排気を浄化する排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」という）３と、排気に含まれるＰＭを検出する粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１１とが、上流側からこの順で設けられている。
【００２７】
ＤＰＦ３は、多孔質体のフィルタ壁を備え、排気がこのフィルタ壁の微細な孔を通過する際に、排気に含まれるＰＭをフィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の微細孔に堆積させることにより、これを捕集する。
【００２８】
図６は、ＰＭセンサ１１の概略構成を示す図である。
ＰＭセンサ１１は、排気管４の内部のうちＤＰＦ３の下流側に設けられたセンサ素子１２と、ＥＣＵ５に接続され、このセンサ素子１２を制御するセンサ制御ユニット１７と、を備える。ＰＭセンサ１１は、以下に示すように、排気管４内を流通する排気に含まれるＰＭが付着したセンサ素子１２の静電容量を測定し、この測定値に基づいて、排気管４内を流通する排気中のＰＭを検出する。
【００２９】
センサ制御ユニット１７は、集塵用ＤＣ電源１３と、インピーダンス測定器１４と、センサ素子１２の温度、より詳しくは後述の電極部の温度を制御する温度制御装置１５と、を含んで構成される。
【００３０】
図７は、センサ素子１２の斜視図である。
図７に示すように、センサ素子１２は、ＰＭを含む排気が通過する通気孔を有しており、この通気孔により集塵部１２０が形成される。排気中に含まれるＰＭは、この集塵部１２０の内壁に付着して堆積する。
【００３１】
図８は、センサ素子１２の分解斜視図である。
センサ素子１２は、図８に示すように、一対の電極板１３０，１３１を、板状のスペーサ１２５Ａ，１２５Ｂを介装して組み合わせ、ヒータ層１２２，１２９およびアルミナプレート１２１で挟持することにより構成される。これにより、電極板１３０，１３１、スペーサ１２５Ａ，１２５Ｂで囲まれた集塵部１２０が形成される。
【００３２】
電極板１３０は、誘電体層１２４と、集塵電極層１２３とを積層することにより形成される。また、電極板１３１は、誘電体層１２６と、測定電極層１２７と、集塵電極層１２８とを積層することにより形成される。
なお、これら電極板１３０，１３１と、上述の集塵部１２０とにより、本実施形態の電極部が構成される。
【００３３】
測定電極層１２７は、一対の櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える。具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、測定電極層１２７の一端側の集塵部１２０に対応する位置に形成された一対の櫛歯部と、この櫛歯部から他端側へかけて延びる一対の櫛本体部と、を含んで構成される。より具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、一方の櫛形の測定電極１２７Ａの櫛歯部と他方の櫛形の測定電極１２７Ｂの櫛歯部とが相互に挟み合うように対向配置されている。
また、一対の櫛本体部は、インピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。
【００３４】
ここで、測定電極層１２７に櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える本実施形態のＰＭ検出メカニズムについて説明する。
図９は、本実施形態のセンサ素子１２の集塵部１２０内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。図９に示すように、集塵部１２０に集塵されたＰＭは、櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂの櫛歯部上に誘電体層を介して堆積する。このとき、隣接する測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間におけるもれ電界が、堆積したＰＭによる影響を受け、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、ＰＭの付着量に相関があることから、この静電容量の変化を測定することにより、排気に含まれるＰＭを検出できる。なお、以下の説明において、センサ素子１２の静電容量とは、センサ素子１２のうちＰＭの付着量に相関のある集塵部１２０の静電容量を意味する。
【００３５】
集塵電極層１２３，１２８は、タングステン導体層からなる集塵電極１２３Ａ，１２８Ａを備える。この集塵電極１２３Ａ，１２８Ａは、集塵電極層１２３，１２８の一端側の集塵部１２０に対応する位置に略正方形状に形成された導体部と、この導体部からアルミナ基板の他端側へかけて線状に延びる導線部と、を含んで構成される。
また、集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部は、集塵用ＤＣ電源１３に電気的に接続されている。
なお、集塵電極１２３Ａ、１２８Ａの導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。
【００３６】
ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａを備え、これらヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａは、温度制御装置１５およびインピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。
また、アルミナプレート１２１は、略矩形状のアルミナ基板であり、厚みは約１ｍｍである。
【００３７】
集塵用ＤＣ電源１３は、集塵電極層１２３，１２８に備えられた集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部に電気的に接続されている。集塵用ＤＣ電源１３は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、後述する測定電圧よりも大きい所定の集塵電圧を集塵電極層１２３，１２８間に印加する。電極部にＰＭが未付着の状態では静電容量の有意な変化が検出できず、測定が不可能であるところ、集塵電圧を印加してＰＭの付着を促進することにより、ある程度ＰＭが付着して静電容量の有意な変化が検出できる状態を素早く形成できる。
【００３８】
インピーダンス測定器１４は、測定電極層１２７の一対の櫛本体部に電気的に接続されている。インピーダンス測定器１４は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧および測定周期のもとで、センサ素子１２の静電容量を検出し、検出した静電容量に略比例した検出信号をＥＣＵ５に出力する。
【００３９】
温度制御装置１５は、各電極板１３０，１３１に接して設けられたヒータ層１２２，１２９のヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａに電気的に接続されており、これらヒータ層１２２，１２９に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源（図示せず）を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ層１２２，１２９に所定の電流を通電する。ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ用電源から電流が供給されると発熱し、各電極板１３０，１３１を加熱する。これにより、各電極板１３０，１３１を加熱し、集塵部１２０に付着したＰＭを燃焼除去する。
なお、電極部の温度は、温度制御装置１５により検出されるヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。
【００４０】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果等を記憶する記憶回路と、センサ制御ユニット１７およびエンジン１の燃料噴射弁等に制御信号を出力する出力回路とを備える。
以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ５には、以下に示すＰＭセンサの制御処理を実行するための粒子状物質検出部、再生完了判定部および周波数変更部の各モジュールが構成される。
【００４１】
次に、図１０〜１４を参照して、ＥＣＵによるＰＭセンサの制御について説明する。
図１０は、ＥＣＵによるＰＭセンサの制御手順を示すフローチャートである。このＰＭセンサの制御処理は、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００４２】
ステップＳ１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ２に移る。
検出用周波数ｆａとしては、後述する再生用周波数ｆｚよりも低い周波数に設定される。例えば、検出用周波数ｆａは、再生用周波数ｆｚに対して、ｆａ＝ｆｚ×１０−２（Ｈｚ）の関係式を満たすように設定される。
【００４３】
ステップＳ２では、電極部の静電容量の測定を開始する。具体的には、ステップＳ１で切換え設定した検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加し、静電容量の測定を開始する。その後、ステップＳ３に移る。
【００４４】
ステップＳ３では、電極部の温度Ｔが１００℃以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、エンジンの始動時に発生して電極部に付着した凝縮水が揮発する状態にあると判断し、ステップＳ４に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
なお、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。より詳しくは、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａの抵抗値に基づいて、ＥＣＵ５により算出される。
【００４５】
ステップＳ４では、測定された電極部の静電容量Ｃが、所定の閾値Ｃ１以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部に付着していた凝縮水が完全に揮発して除去されたと判断し、ステップＳ５に移る。一方、この判別がＮＯの場合には、凝縮水がまだ電極部に付着していると判断し、この判別を再度実行する。
なお、所定の閾値Ｃ１としては、図４に示した温度Ｔ２（ＰＭの温度特性変化が増大して静電容量が急激に増大しはじめる温度であり、具体的には４００℃）以下の所定温度におけるＰＭが付着した電極部の静電容量に設定される。凝縮水のような液体は導電率が高いため、その静電容量はＰＭに比して顕著に大きいことから、Ｃ１以下であれば、凝縮水は完全に除去されたと判断できる。
【００４６】
ステップＳ５では、電極部の再生の有無を判定する。具体的には、測定された電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ０を超えているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部の再生処理が必要であると判断し、ステップＳ６の電極部再生処理に移る。一方、ＮＯの場合には、電極部の再生処理は不要であると判断し、ステップＳ７のＰＭ検知処理に移る。
所定の閾値Ｃ０は、予め実験を行うことにより設定される。例えば、後述する図１３で示すように、ＰＭが付着していない電極部の静電容量に設定される。
【００４７】
ステップＳ６では、電極部の再生処理を実行する。その後、ステップＳ７のＰＭ検知処理に移る。本ステップにより、電極部に付着していたＰＭが燃焼除去される。この電極部の再生処理の詳細については後述する。
【００４８】
ステップＳ７では、ＰＭの検知処理を実行する。その後、本ＰＭセンサの制御処理を終了する。本ステップにより、排気中のＰＭ濃度や捕集率が算出される。このＰＭ検知処理の詳細については後述する。
【００４９】
次に、ＰＭセンサの電極部再生処理の手順について説明する。
図１１は、ＰＭセンサの電極部再生処理の手順を示すフローチャートである。
【００５０】
ステップＳ６１では、電極部に印加されている測定電圧の検出用周波数ｆａを、再生用周波数ｆｚに切換える処理を実行する。その後、ステップＳ６２に移る。
再生用周波数ｆｚとしては、上述の検出用周波数ｆａよりも高い周波数に設定され、例えば、再生用周波数ｆｚは、検出用周波数ｆａに対して、ｆｚ＝ｆａ×１０２（Ｈｚ）の関係式を満たすように設定される。
【００５１】
ここで、検出用周波数ｆａと再生用周波数ｆｚについて、図１２を参照して説明する。
図１２は、再生時における電極部の静電容量の周波数特性を示す図である。図１２に示すように、先ず、検知処理時における集塵の際には、検出用周波数ｆａの集塵電圧を電極部に印加することにより、ＰＭが積極的に電極部に付着するため、静電容量Ｃは急激な立ち上りを示す。その後、検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加すると、ＰＭが電極部に自然付着していくにつれて、静電容量Ｃは緩やかに上昇した後、やがて飽和する。
再生処理時には、電極部の温度ＴはＰＭの温度特性変化が増大しはじめる温度Ｔ２（４００℃）を超えるため、静電容量Ｃは指数関数的に増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達したときに、ＰＭは燃焼除去されるため、静電容量Ｃは急激に低下する。
【００５２】
このように、再生用周波数ｆｚに比して低い検出用周波数ｆａの場合には、検知処理時と再生処理時とでは測定される静電容量の値が大きく異なる。そのため、検知処理時の測定感度を維持するためには、検知処理時には測定レンジ１の測定回路を用い、再生処理時にはより広い測定レンジ２の測定回路に切換える必要がある。これに対して本実施形態では、再生処理時に、例えば電極部の温度ＴがＴ２に達したときに、検出用周波数ｆａから再生用周波数ｆｚへの切換えを実行し、これにより、再生時における電極部の静電容量Ｃの値を小さくして、再生処理時の測定回路の切換えを不要とするものである。従って、再生用周波数ｆｚは、測定される静電容量Ｃの値が測定レンジ１の範囲内となるように、即ち検出用周波数ｆａのときの測定レンジと同等の測定レンジとなるように、設定される。
【００５３】
図１１に戻って、ステップＳ６２では、ヒータをオンにし、ＰＭセンサの電極部の温度を昇温させる。その後、ステップＳ６３に移る。
具体的には、温度制御装置により、電極部の温度を図４に示したＰＭの燃焼温度Ｔ１（５５０℃）まで昇温させる。
【００５４】
ステップＳ６３では、電極部の温度Ｔが、ＰＭの燃焼温度Ｔ１に達したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ６４に移り、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
なお、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。
【００５５】
ステップＳ６４では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ２以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部の再生が完了したものと判断し、ステップＳ６５に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
【００５６】
ここで、所定の閾値Ｃ２について、図１３を参照して説明する。
図１３は、再生時における電極部の静電容量変化を示す図である。図１３に示すように、電極部にＰＭが付着していない場合には、電極部自体の温度特性により、静電容量Ｃ０の初期状態から温度の上昇とともに静電容量は増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達した後、静電容量は緩やかに減少し、所定の静電容量で収束する。静電容量の立ち上り部分におけるオーバーシュートは、ヒータ制御のオーバーシュート、検知できないほど微量のＰＭ、静電容量測定用の測定電極とヒータ間に生じる温度差などが要因と考えられる。
これに対して、電極部にＰＭが付着している場合には、電極部およびＰＭの温度特性により、静電容量Ｃ１の初期状態から温度の上昇とともに静電容量は指数関数的に増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達すると、ＰＭは燃焼除去されるため、静電容量は急激に小さくなり、ＰＭが付着していなかった場合と同一の静電容量で収束する。このときの収束値をＣ２と設定し、電極部の再生の完了の判定基準として用いる。
【００５７】
図１１に戻って、ステップＳ６５では、ヒータをオフにし、電極部再生処理を終了する。
【００５８】
次に、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順について説明する。
図１４は、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ７０１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０２に移る。
【００６０】
ステップＳ７０２では、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０３に移る。
ここで、排気に含まれるＰＭの濃度は、予め作成されてＥＣＵに格納された静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップを参照することにより、算出される。上述したように、静電容量変化は測定電圧の周波数に応じて変動することから、ステップＳ７０１で実行した検出用周波数ｆａの切換えに伴って、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップの切換えを実行するものである。
【００６１】
ステップＳ７０３では、ＰＭの集塵を開始する。その後、ステップＳ７０４に移る。
具体的には、電極部に検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加し、排気に含まれるＰＭを積極的に捕集する。集塵は、例えば車速が０になったときなど、予め決定されたタイミングで開始する。
【００６２】
ステップＳ７０４では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ４以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、測定される静電容量に有意な変化が現れ、その変化に基づいてＰＭ濃度の算出が可能な程度にＰＭが捕集されたと判断し、ステップＳ７０５に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ４は、予め実験を行うことにより、測定される静電容量に有意な変化が現れる程度に、電極部にＰＭが付着したときの静電容量に設定される。
【００６３】
ステップＳ７０５では、ＰＭの集塵を停止する。その後、ステップＳ７０６に移る。
具体的には、電極部に対する検出用周波数ｆａの集塵電圧の印加を停止し、ＰＭの捕集を停止する。
【００６４】
ステップＳ７０６では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ３未満であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、ステップＳ７０７に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態であると判断し、ステップＳ７０８に移る。
所定の閾値Ｃ３は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００６５】
ステップＳ７０７では、排気中のＰＭ濃度を算出する。算出後は、ステップＳ７０６に戻る。
具体的には、ＰＭ濃度は、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップを参照することにより、算出される。
【００６６】
ステップＳ７０８では、現在設定されている測定電圧の検出用周波数ｆが、再生用周波数ｆｚに達しているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、これ以上高い周波数への切換えを実行した場合にあっては測定回路の測定レンジを超えてしまうため、周波数の切換えを実行せずにＰＭ検知処理を終了する。一方、ＮＯの場合には、ステップＳ７０９に移る。
【００６７】
ステップＳ７０９では、より高い検出用周波数への切換えを実行する。その後、ステップＳ７１０に移る。
【００６８】
ステップＳ７１０では、切換え後の検出用周波数のときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０６に戻る。
【００６９】
ここで、検出用周波数の切換えについて、図１５を参照して説明する。
図１５は、周波数の切換えを実行したときの静電容量の変化を示す図である。図１５に示すように、先ず、低い検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加してＰＭの捕集を積極的に行った後、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加すると、時間の経過とともに電極部にＰＭが自然付着することにより、静電容量Ｃは増大する。そして、静電容量Ｃが予め設定されたＰＭ濃度を検知可能な上限値Ｃ３に達したときに、より高い周波数ｆｂへの切換えを実行する。上述したように、周波数が高くなるにつれて静電容量は小さくなる一方で、検知可能な上限値はＣ３で一定であることから、図１５に示すように、この周波数の切換えにより静電容量の測定の継続が可能となる。周波数ｆｂでの測定を継続し、再び静電容量がＣ３に達したときに、より高い周波数ｆｃへの切換えを実行する。このような周波数の切換え処理を、周波数ｆが再生用周波数ｆｚに達するまで繰り返し実行する。
なお、切換える検出用周波数としては、例えば、切換え前の検出用周波数に所定値α（＞０）を加算して得られた検出用周波数の他、切換え前の検出用周波数に所定値αを乗算して得られた検出用周波数が挙げられる。
【００７０】
なお、本実施形態のＰＭ検知処理により算出されたＰＭ濃度は、例えばＤＰＦの故障検知に利用される。また、本実施形態のＰＭ検知処理では、検出用周波数を切換えることによって静電容量の測定を継続して実行できるため、例えば内燃機関の燃焼制御や、ＰＭ堆積計算の補正などに利用される。
【００７１】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、ＰＭの集塵・検知時には、周波数が低い検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加して静電容量を測定し、測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値を検出する構成とした。また、検出後に実行する電極部の再生時には、検出用周波数ｆａよりも高い再生用周波数ｆｚに変更して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する構成とした。
即ち、本実施形態によれば、静電容量が顕著に増大する電極部の再生時に、ＰＭの集塵・検知時に比べて高い周波数の測定電圧に切換える構成としたため、測定される静電容量の値を小さくできる。これにより、測定電圧の周波数を高周波数化することによって、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となり、測定回路の切換えを行うことなく、測定された静電容量に基づいて再生の完了を判定できる。従って、電極部の再生時とＰＭの集塵・検知時とで、測定回路を切換えることなく１つの測定回路でＰＭを検出でき、コストを削減できる。
また、例えば１つの測定回路で測定レンジを広げた場合と比べて、精度良く静電容量を測定でき、再生の完了を精度良く判定できる。
【００７２】
また、本実施形態では、ＰＭの集塵・検知時において、先ず、周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値を検出する構成とした。また、電極部にＰＭが付着することによって静電容量が所定の上限値Ｃ３に達したときには、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換えて静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続する構成とした。
これにより、周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して測定された静電容量が所定の上限値Ｃ３にまで達したときに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換えることにより、測定される静電容量の値を小さくでき、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となる。そのため、静電容量の変化の検出を継続でき、排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続して行うことができる。従って、検出時間を長く確保することができるため、ＰＭの量に相関のある値の検出頻度を高めて検出精度を向上できる。また、検出精度を向上できるため、電極部の再生回数を低減でき、燃費を向上できる。
また、本実施形態によれば、検出時間を長く確保できるため連続測定に近い測定が可能となり、ＤＰＦの故障判定以外のエンジン制御にも利用できる。
【００７３】
また、本実施形態では、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して測定した電極部の静電容量が、有意な変化が現れる上限値Ｃ３に達したときに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換える構成とした。
これにより、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加することによって静電容量の変化を検出可能な限界まで静電容量の測定を行った後に、検出用周波数ｆｂに切換えて静電容量の測定を継続できる。そのため、検出時間をより長く確保することができるため、検出頻度をより高めて検出精度をより向上できる。
【００７４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順が第１実施形態と異なる。具体的には、検出用周波数の切換えを実行する条件が第１実施形態と異なり、ＥＣＵの構成が第１実施形態と異なる。
具体的には、図示しない本実施形態のＥＣＵ５Ａは、ＥＣＵ５の構成に加えて、以下に示すＰＭセンサの制御処理を実行するための故障判定部、実行判定部および排出量算出部
の各モジュールが構成される。
また、本実施形態のＥＣＵ５Ａには、警告灯が接続される。警告灯は、ＤＰＦが故障した状態であることを示すためのものであり、例えば、車両のメータパネルに設けられる。警告灯は、ＥＣＵ５Ａから送信された制御信号に基づいて点灯し、これにより、運転者はＤＰＦが故障した状態であることを認識する。
【００７５】
以下、本実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順について説明する。
図１６は、本実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【００７６】
ステップＳ７２１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７２２に移る。
【００７７】
ステップＳ７２２では、ＰＭの集塵を開始する。その後、ステップＳ７２３に移る。
具体的には、電極部に検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加し、排気に含まれるＰＭを積極的に捕集する。集塵は、例えば車速が０になったときなど、予め決定されたタイミングで開始する。
【００７８】
ステップＳ７２３では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ４以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、測定される静電容量に有意な変化が現れ、その変化に基づいてＰＭ濃度の算出が可能な程度にＰＭが捕集されたと判断し、ステップＳ７２４に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ４は、予め実験を行うことにより、測定される静電容量に有意な変化が現れる程度に、電極部にＰＭが付着したときの静電容量に設定される。
【００７９】
ステップＳ７２４では、ＰＭの集塵を停止する。その後、ステップＳ７２５に移る。
具体的には、電極部に対する検出用周波数ｆａの集塵電圧の印加を停止し、ＰＭの捕集を停止する。
【００８０】
ステップＳ７２５では、エンジンから排出されてＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を開始する。ＰＭ量Ｙの積算は、ＰＭ量Ｙが「０」でない場合には「０」にリセットした後に開始する。その後、ステップＳ７２６に移る。
なお、ＰＭ量Ｙは、例えば、エンジン回転数および燃料噴射量に応じた所定のマップを検索することにより算出される。また、例えば、ＤＰＦの上流側の排気管内に、別のＰＭセンサを設け、このＰＭセンサの出力に基づいてＰＭ量Ｙを算出することもできる。
【００８１】
ステップＳ７２６では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ５以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態になったと判断し、ステップＳ７２７に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、測定を継続してこの判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ５は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００８２】
ステップＳ７２７では、ＤＰＦの故障判定を実行するか否かを判定する。具体的には、積算されたＰＭ量Ｙが、所定の閾値Ｙ１以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、十分な精度でＰＭ捕集率を算出でき精度の高いＤＰＦ故障判定が可能である程、多量のＰＭが排出されてＤＰＦに流入したと判断し、ステップＳ７２８に移る。一方、ＮＯの場合には、少量のＰＭしかＤＰＦに流入しておらず、精度の高いＤＰＦ故障判定が不可能であると判断し、ステップＳ７３０に移る。
【００８３】
ステップＳ７２８では、上記ステップＳ７２７で、精度の高いＤＰＦ故障判定が可能である程、多量のＰＭが排出されてＤＰＦに流入したと判断されたため、ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を終了する。その後、ステップＳ７２９に移る。
【００８４】
ステップＳ７２９では、ＤＰＦにおけるＰＭ捕集率Ｘを算出する。算出後は、ステップＳ７３４に移る。
具体的には、下記式（１）により、ＰＭ捕集率Ｘ（％）を算出する。下記式（１）において、Ｙは、ステップＳ７２５で積算を開始しステップＳ７２８で積算を終了して取得したＰＭの積算量であり、Ｍ１は、ＰＭ量Ｙの積算期間（即ち、検出用周波数ｆａを印加して静電容量を測定していた期間）において、ＤＰＦから流出したＰＭの総量である。なお、このＭ１は、予め実験を行うことにより設定されてＥＣＵに格納された、図１７に示すようなＰＭ総量（ＤＰＦから流出したＰＭの総量）と静電容量Ｃとの関係に基づいて算出される。
［数１］
Ｘ（％）＝（１−Ｍ１／Ｙ）×１００ ・・・式（１）
【００８５】
ステップＳ７３０では、上記ステップＳ７２７で、少量のＰＭしかＤＰＦに流入しておらず、精度の高いＤＰＦ故障判定が不可能であると判断されたため、検出用周波数ｆａから、より高い検出用周波数ｆｂへの切換えを実行する。これにより、測定される静電容量の値を小さくでき、静電容量の測定の継続が可能となる。その後、ステップＳ７３１に移る。
【００８６】
ステップＳ７３１では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ５以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態になったと判断し、ステップＳ７３２に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ５は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００８７】
ステップＳ７３２では、ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を終了する。その後、ステップＳ７３３に移る。
【００８８】
ステップＳ７３３では、ＤＰＦにおけるＰＭ捕集率Ｘを算出する。算出後は、ステップＳ７３４に移る。
具体的には、下記式（２）により、ＰＭ捕集率Ｘ（％）を算出する。下記式（２）において、Ｙは、ステップＳ７２５で積算を開始しステップＳ７３２で積算を終了して取得したＰＭの積算量であり、Ｍ２は、ＰＭ量Ｙの積算期間（即ち、検出用周波数ｆａを印加して静電容量を測定していた期間と検出用周波数ｆｂを印加して静電容量を測定していた期間の合計期間）においてＤＰＦから流出したＰＭの総量である。なお、このＭ２は、予め実験を行うことにより設定されてＥＣＵに格納された、図１７に示すようなＰＭ総量（ＤＰＦから流出したＰＭの総量）と静電容量Ｃとの関係に基づいて算出される。
［数２］
Ｘ（％）＝（１−Ｍ２／Ｙ）×１００ ・・・式（２）
【００８９】
ステップＳ７３４では、ＤＰＦの故障判定を実行する。具体的には、ステップＳ７２９またはステップＳ７３３で算出されたＰＭ捕集率Ｘが、所定の閾値Ｘ１以下であるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ステップＳ７３５に移ってＤＰＦは正常であると判断し、本ＰＭ検知処理を終了する。一方、ＹＥＳの場合には、ステップＳ７３６に移ってＤＰＦは故障していると判断し、警告灯を点灯させて、本ＰＭ検知処理を終了する。
なお、所定の閾値Ｘ１は、予め実験を行うことにより設定される。具体的には、所定の閾値Ｘ１は、図１８に示すようなＰＭ捕集率ＸとＰＭエミッション値との関係に基づいて、ＰＭエミッション値が所定値となるときのＰＭ捕集率Ｘ２と、ＰＭエミッション値が所定値＋αとなるときのＰＭ捕集率Ｘ３との間の値に設定される。
【００９０】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、さらに以下の効果が奏される。
本実施形態では、電極部にＰＭが付着することによって、検出用周波数ｆａの測定電圧で測定された静電容量が所定の上限値Ｃ５に達し、かつエンジンからのＰＭの排出量が所定量Ｙ１以上であるときには、ＤＰＦの故障判定を実行する構成とした。また、静電容量が所定の上限値Ｃ５に達し、かつエンジンからのＰＭの排出量が所定量Ｙ１未満であるときには、ＤＰＦの故障判定を実行せずに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂに切換えたうえでＰＭの量に相関のある値の検出を継続し、故障判定を実行する構成とした。
これにより、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加した状態で、ＤＰＦの故障判定が精度良く行える所定量Ｙ１以上のＰＭが排出されていたときに故障判定を実行するため、精度の高い故障判定ができる。一方、故障判定が精度良く行える所定量Ｙ１以上のＰＭが排出されていなかったときには故障判定を実行しないため、誤判定のおそれを回避できる。また、この場合には、より高い周波数の検出用周波数ｆｂに切換えることによって、検出用周波数ｆｂの測定電圧で測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続し、かかる値に基づいた故障判定を再度、実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
ところで、測定精度としては周波数の低い測定電圧の方が高いため、より周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加した状態で測定を行うのが望ましい。これに対して、故障判定では、測定レンジを広く使って静電容量の測定およびＰＭの量に相関のある値の検出を行うことにより、高い判定精度が得られる。そのため、検出用周波数ｆａの測定電圧で、複数回に分割して故障判定を実行した場合にあっては、故障判定の精度は大きく低下する。そこで、本実施形態によれば、検出用周波数ｆａの測定電圧下で測定可能な限界まで測定を行った後、ＰＭの排出量が少ない場合には故障判定を実行せずに、より高い検出用周波数ｆｂに切換えたうえで測定、検出を継続し、故障判定を実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
【００９１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上記第２実施形態では、ＤＰＦのＰＭ捕集率Ｘに基づいてＤＰＦの故障判定を実行したが、これに限定されない。ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算の代わりに、エンジンから排出される排気量、即ちＤＰＦに流入する排気量を積算してもよい。排気量は、エンジンの吸気量などに基づいて算出される。この場合には、ＰＭ捕集率Ｘの代わりに、排気量の積算期間においてＤＰＦから流出したＰＭの総量を排気量で除して平均ＰＭ濃度を算出し、この平均ＰＭ濃度に基づいてＤＰＦの故障判定を実行する。
また、ＤＰＦに流入するＰＭ量とＤＰＦから流出したＰＭ量から直接、ＤＰＦの故障判定を実行してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１…エンジン（内燃機関）
１１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
１２…センサ素子
１２０…集塵部（電極部）
１２２，１２９…ヒータ層（電極部再生手段）
１３０，１３１…電極板（電極部）
１７…センサ制御ユニット（測定手段、粒子状物質検出手段、電極部再生手段、再生完了判定手段、周波数変更手段）
３…ＤＰＦ
４…排気管（排気系）
５…ＥＣＵ（粒子状物質検出装置、再生完了判定手段、周波数変更手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気管に、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタを設け、粒子状物質の排出量を低減する技術が広く用いられている。また、排気浄化フィルタが設けられた車両には、排気浄化フィルタの故障を検知するための装置が設けられる。この故障検知装置は、排気に含まれる粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置を排気浄化フィルタの下流に備え、この粒子状物質検出装置の出力に基づいて、排気浄化フィルタの故障を検知する。
【０００３】
上記粒子状物質検出装置として、例えば、多孔質の導電性物質で構成された電極部を備える粒子状物質検出装置が提案されている（特許文献１参照）。この粒子状物質検出装置は、粒子状物質が自然に集塵されて付着することによる電極部の電気抵抗値の変化を測定し、この測定値に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の濃度を検出する。電極部に付着させることができる粒子状物質の量には限界があるため、検出後は、例えばヒータなどの加熱手段によって、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する。
【０００４】
また、例えば、静電集塵式の粒子状物質検出装置が提案されている（特許文献２参照）。この静電集塵式の粒子状物質検出装置では、一対の電極板で構成された電極部を排気管内に設け、この検出電極に所定の電圧を印加することで粒子状物質を積極的に集塵して検出電極に付着させる。次に、粒子状物質が付着した電極部の静電容量などの電気的特性を測定することにより、排気の粒子状物質の濃度を検出する。上記特許文献１の粒子状物質検出装置と同様に、検出後は、例えばヒータなどの加熱手段によって、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する。
【０００５】
ところで、電極部に付着した粒子状物質を燃焼除去する際には、付着した粒子状物質の燃焼除去が完了し、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が必要となる。
かかる手段としては、例えば、粒子状物質の付着量に応じて、付着した粒子状物質の燃焼除去に要する所定時間を予め実験を行うことにより求めておき、かかる所定時間が経過したか否かに基づいて、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が挙げられる。
また、上記特許文献２のように、電極部の静電容量に基づいて、電極部の再生が完了したか否かを判定する手段が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２６６９６１号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、予め設定した所定時間が経過したか否かに基づいて電極部の再生が完了したか否かを判定する手段では、判定の精度が低く、再生時間を長めに設定する必要がある。そのため、再生による消費電力が増大して燃費が悪化するうえ、粒子状物質の検出頻度が減少する結果、排気浄化フィルタの故障検知回数が減少してしまう。
【０００８】
一方、上記特許文献２で用いる粒子状物質の静電容量は、温度によって大きく変動し、運転条件や排気浄化フィルタの再生などの外部要因による影響を大きく受ける。具体的には、粒子状物質の静電容量は、温度が高くなるにつれて増大する。そのため、特に電極部の再生時においては、電極部を５５０℃以上にまで昇温させることから、電極部に付着した粒子状物質の静電容量は顕著に増大する。
【０００９】
このように、電極部の再生時には、検出される粒子状物質の静電容量が顕著に増大するため、測定回路の測定レンジは広く設定される。これに対して、粒子状物質の集塵・検知時には、高い測定精度が求められるとともに、温度が比較的低い条件下での検出であるため、測定レンジは狭く設定される。即ち、電極部の再生時と、粒子状物質の集塵・検知時とでは、静電容量を検出するための測定回路に求められる測定レンジが大きく異なる。そのため、上記特許文献２の粒子状物質検出装置では、測定レンジの異なる少なくとも２つの測定回路を備える必要があり、コストの増加を招いてしまう。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換える必要が無く、１つの測定回路で粒子状物質の検出が可能な粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障判定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気管４）に設けられた電極部（例えば、後述の電極板１３０，１３１および集塵部１２０）と、前記電極部に測定電圧を印加して前記電極部の静電容量を測定する測定手段（例えば、後述のセンサ制御ユニット１７）と、前記測定手段によって測定される静電容量が前記電極部に粒子状物質が付着することにより変化する特性に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段（例えば、後述のＥＣＵ５およびセンサ制御ユニット１７）と、前記粒子状物質検出手段による検出を実行した後、前記電極部に付着している粒子状物質を燃焼除去することで前記電極部を再生する電極部再生手段（例えば、後述のヒータ層１２２，１２９およびセンサ制御ユニット１７）と、前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５，センサ制御ユニット１７および図１１のステップＳ６４の実行に係る手段）と、を備える粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ５）を提供する。この粒子状物質検出装置は、前記測定手段によって印加される交流の測定電圧の周波数を変更する周波数変更手段（例えば、後述のＥＣＵ５，センサ制御ユニット１７および図１１のステップＳ６１の実行に係る手段）を備え、前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記再生完了判定手段は、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の実行時において、前記周波数変更手段によって前記電極部に印加する測定電圧の周波数を前記検出用周波数よりも高い再生用周波数（例えば、後述の再生用周波数ｆｚ）に変更したうえで前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定することを特徴とする。
【００１２】
本発明では、粒子状物質の集塵・検知時には、周波数が低い検出用周波数の測定電圧を電極部に印加して静電容量を測定し、測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する構成とした。また、検出後に実行する電極部の再生時には、検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する構成とした。
【００１３】
ここで、周波数をｆ、インピーダンスをＺｃとしたときに、静電容量Ｃは、１／（２πｆＺｃ）で表され、図１に示すように、周波数ｆが高くなるにつれて静電容量Ｃは小さくなる特性を有する。そのため、各周波数の静電容量変化は、理論的には図２に示す通りとなるが、実際の粒子状物質では、不特定な要因によって曲線の立ち上り部分や収束位置がずれて、図３に示すような周波数特性を示す。この図３から、周波数を高くすることによって、粒子状物質の静電容量の測定値を小さくできることが分かる。
【００１４】
また、再生時における電極部の静電容量Ｃの温度特性を図４に示す。図４に示すように、電極部を昇温させたときには、粒子状物質（ＰＭ）が付着していない場合に比べて、付着している場合の方が静電容量Ｃの変化が顕著に大きい。具体的には、粒子状物質が電極部に付着していない場合には、電極部の温度がおよそ５００℃付近に達した後、電極部の静電容量Ｃは緩やかに増大する。これに対して、粒子状物質が電極部に付着している場合には、温度Ｔ２（４００℃）で静電容量Ｃは急激に増大し始め、粒子状物質の燃焼温度である温度Ｔ１（５５０℃）まで指数関数的に増大する。この図４から、粒子状物質が付着した電極部の再生時には、静電容量Ｃは顕著に増大し、集塵・検知時に比べて広い測定レンジが必要であることが分かる。
【００１５】
そこで、本発明によれば、静電容量が顕著に増大する電極部の再生時に、粒子状物質の集塵・検知時に比べて高い周波数の測定電圧に切換える構成としたため、測定される静電容量の値を小さくできる。これにより、測定電圧の周波数を高周波数化することによって、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となり、測定回路の切換えを行うことなく、測定された静電容量に基づいて再生の完了を判定できる。従って、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換えることなく１つの測定回路で粒子状物質を検出でき、コストを削減できる。
また、例えば１つの測定回路で測定レンジを広げた場合と比べて、精度良く静電容量を測定でき、再生の完了を精度良く判定できる。
【００１６】
この場合、前記周波数変更手段は、第１の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）と、当該第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆｂ）の少なくとも２つの検出用周波数に切換え可能であり、前記粒子状物質検出手段（例えば、後述の図１４の処理の実行に係る手段）は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ３）に達したときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することが好ましい。
【００１７】
本発明では、粒子状物質の集塵・検知時において、先ず、周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する構成とした。また、電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値に達したときには、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換えて静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続する構成とした。
これにより、周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加して測定された静電容量が所定の上限値にまで達したときに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換えることにより、測定される静電容量の値を小さくでき、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となる。そのため、静電容量の変化の検出を継続でき、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続して行うことができる。従って、検出時間を長く確保することができるため、粒子状物質の量に相関のある値の検出頻度を高めて検出精度を向上できる。また、検出精度を向上できるため、電極部の再生回数を低減でき、燃費を向上できる。
また、この発明によれば、検出時間を長く確保できるため連続測定に近い測定が可能となり、排気浄化フィルタの故障判定以外の内燃機関制御にも利用できる。
【００１８】
この場合、前記所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ３）は、前記電極部に粒子状物質が付着することにより、前記電極部の静電容量に有意な変化が現れる上限値であることが好ましい。
【００１９】
この発明では、第１の検出用周波数の測定電圧を印加して測定した電極部の静電容量が、有意な変化が現れる上限値に達したときに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の測定電圧に切換える構成とした。
これにより、第１の検出用周波数の測定電圧を印加することによって静電容量の変化を検出可能な限界まで静電容量の測定を行った後に、第２の検出用周波数に切換えて静電容量の測定を継続できる。そのため、検出時間をより長く確保することができるため、検出頻度をより高めて検出精度をより向上できる。
【００２０】
また、本発明では、内燃機関の排気系に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタ（例えば、後述のＤＰＦ３）の故障検知装置（例えば、後述のＥＣＵ５Ａおよびセンサ制御ユニット１７）を提供する。この故障検知装置は、前記排気浄化フィルタの下流に設けられた請求項２または３記載の粒子状物質検出装置（例えば、後述のＰＭセンサ１１およびＥＣＵ）と、前記粒子状物質検出手段によって検出された排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値（例えば、後述のＰＭ捕集率Ｘ）に基づいて、前記排気浄化フィルタの故障を判定する故障判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａ，センサ制御ユニット１７および図１６のステップＳ７３４〜Ｓ７３６の実行に係る手段）と、前記故障判定手段による故障判定を実行するか否かを判定する実行判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａ，センサ制御ユニット１７および図１６のステップＳ７２７の実行に係る手段）と、前記第１の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆａ）の測定電圧を印加して静電容量を測定していた期間における前記内燃機関からの粒子状物質の排出量を算出する排出量算出手段（例えば、後述のＥＣＵ５Ａおよび図１６のステップＳ７２５，Ｓ７２８，Ｓ７３２の実行に係る手段）と、を備え、前記実行判定手段は、前記排出量が所定量（例えば、後述の閾値Ｙ１）以上であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行すると判定し、前記排出量が前記所定量未満であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定し、前記粒子状物質検出手段（例えば、後述の図１６のステップＳ７２１〜Ｓ７３３の実行に係る手段）は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が前記所定の上限値（例えば、後述の閾値Ｃ５）に達しかつ前記実行判定手段によって前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定されたときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数（例えば、後述の検出用周波数ｆｂ）に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする。
【００２１】
この発明では、電極部に粒子状物質が付着することによって、第１の検出用周波数の測定電圧で測定された静電容量が所定の上限値に達し、かつ内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定量以上であるときには、排気浄化フィルタの故障判定を実行する構成とした。また、静電容量が所定の上限値に達し、かつ内燃機関からの粒子状物質の排出量が所定量未満であるときには、排気浄化フィルタの故障判定を実行せずに、第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数に切換えたうえで粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続し、故障判定を実行する構成とした。
これにより、第１の検出用周波数の測定電圧を印加した状態で、排気浄化フィルタの故障判定が精度良く行える所定量以上の粒子状物質が排出されていたときに故障判定を実行するため、精度の高い故障判定ができる。一方、故障判定が精度良く行える所定量の粒子状物質が排出されていなかったときには故障判定を実行しないため、誤判定のおそれを回避できる。また、この場合には、より高い周波数の第２の検出用周波数に切換えることによって、第２の検出用周波数の測定電圧で測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続し、かかる値に基づいた故障判定を再度、実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
ところで、測定精度としては周波数の低い測定電圧の方が高いため、より周波数の低い第１の検出用周波数の測定電圧を印加した状態で測定を行うのが望ましい。これに対して、故障判定では、測定レンジを広く使って静電容量の測定および粒子状物質の量に相関のある値の検出を行うことにより、高い判定精度が得られる。そのため、第１の検出用周波数の測定電圧で、複数回に分割して故障判定を実行した場合にあっては、故障判定の精度は大きく低下する。そこで、本発明によれば、第１の検出用周波数の測定電圧下で測定可能な限界まで測定を行った後、粒子状物質の排出量が少ない場合には故障判定を実行せずに、より高い第２の検出用周波数に切換えたうえで測定、検出を継続し、故障判定を実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電極部の再生時と粒子状物質の集塵・検知時とで、測定回路を切換える必要が無く、１つの測定回路で粒子状物質の検出が可能な粒子状物質検出装置およびこれを用いた排気浄化フィルタの故障判定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】周波数と静電容量との関係を示す図である。
【図２】各周波数の静電容量変化を示す図である。
【図３】粒子状物質の静電容量の周波数特性を示す図である。
【図４】再生時における電極部の静電容量の温度特性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＰＭセンサが適用されたエンジンの排気浄化装置の構成を示す図である。
【図６】上記実施形態に係るＰＭセンサの概略構成を示す図である。
【図７】上記実施形態に係るセンサ素子の斜視図である。
【図８】上記実施形態に係るセンサ素子の分解斜視図である。
【図９】上記実施形態に係るセンサ素子の集塵部内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。
【図１０】上記実施形態に係るＥＣＵによるＰＭセンサの制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】上記実施形態に係るＰＭセンサの電極部再生処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】再生時における電極部の静電容量の周波数特性を示す図である。
【図１３】再生時における電極部の静電容量変化を示す図である。
【図１４】上記実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【図１５】周波数の切換えを実行したときの静電容量の変化を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】ＰＭ総排出量と静電容量との関係を示す図である。
【図１８】ＰＭ捕集率とＰＭエミッション値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態以後の説明において、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図５は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置が適用された内燃機関の排気浄化装置の構成を示す模式図である。
内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、各気筒内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）」という）５により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。
【００２６】
エンジン１の排気が流通する排気管４には、排気に含まれる炭素を主成分とした粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）を捕集し排気を浄化する排気浄化フィルタ（以下、「ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）」という）３と、排気に含まれるＰＭを検出する粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１１とが、上流側からこの順で設けられている。
【００２７】
ＤＰＦ３は、多孔質体のフィルタ壁を備え、排気がこのフィルタ壁の微細な孔を通過する際に、排気に含まれるＰＭをフィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の微細孔に堆積させることにより、これを捕集する。
【００２８】
図６は、ＰＭセンサ１１の概略構成を示す図である。
ＰＭセンサ１１は、排気管４の内部のうちＤＰＦ３の下流側に設けられたセンサ素子１２と、ＥＣＵ５に接続され、このセンサ素子１２を制御するセンサ制御ユニット１７と、を備える。ＰＭセンサ１１は、以下に示すように、排気管４内を流通する排気に含まれるＰＭが付着したセンサ素子１２の静電容量を測定し、この測定値に基づいて、排気管４内を流通する排気中のＰＭを検出する。
【００２９】
センサ制御ユニット１７は、集塵用ＤＣ電源１３と、インピーダンス測定器１４と、センサ素子１２の温度、より詳しくは後述の電極部の温度を制御する温度制御装置１５と、を含んで構成される。
【００３０】
図７は、センサ素子１２の斜視図である。
図７に示すように、センサ素子１２は、ＰＭを含む排気が通過する通気孔を有しており、この通気孔により集塵部１２０が形成される。排気中に含まれるＰＭは、この集塵部１２０の内壁に付着して堆積する。
【００３１】
図８は、センサ素子１２の分解斜視図である。
センサ素子１２は、図８に示すように、一対の電極板１３０，１３１を、板状のスペーサ１２５Ａ，１２５Ｂを介装して組み合わせ、ヒータ層１２２，１２９およびアルミナプレート１２１で挟持することにより構成される。これにより、電極板１３０，１３１、スペーサ１２５Ａ，１２５Ｂで囲まれた集塵部１２０が形成される。
【００３２】
電極板１３０は、誘電体層１２４と、集塵電極層１２３とを積層することにより形成される。また、電極板１３１は、誘電体層１２６と、測定電極層１２７と、集塵電極層１２８とを積層することにより形成される。
なお、これら電極板１３０，１３１と、上述の集塵部１２０とにより、本実施形態の電極部が構成される。
【００３３】
測定電極層１２７は、一対の櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える。具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、測定電極層１２７の一端側の集塵部１２０に対応する位置に形成された一対の櫛歯部と、この櫛歯部から他端側へかけて延びる一対の櫛本体部と、を含んで構成される。より具体的には、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂは、一方の櫛形の測定電極１２７Ａの櫛歯部と他方の櫛形の測定電極１２７Ｂの櫛歯部とが相互に挟み合うように対向配置されている。
また、一対の櫛本体部は、インピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。
【００３４】
ここで、測定電極層１２７に櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂを備える本実施形態のＰＭ検出メカニズムについて説明する。
図９は、本実施形態のセンサ素子１２の集塵部１２０内にＰＭが全面に付着して堆積したときの様子を模式的に示した図である。図９に示すように、集塵部１２０に集塵されたＰＭは、櫛形の測定電極１２７Ａ，１２７Ｂの櫛歯部上に誘電体層を介して堆積する。このとき、隣接する測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間におけるもれ電界が、堆積したＰＭによる影響を受け、測定電極１２７Ａ，１２７Ｂ間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、ＰＭの付着量に相関があることから、この静電容量の変化を測定することにより、排気に含まれるＰＭを検出できる。なお、以下の説明において、センサ素子１２の静電容量とは、センサ素子１２のうちＰＭの付着量に相関のある集塵部１２０の静電容量を意味する。
【００３５】
集塵電極層１２３，１２８は、タングステン導体層からなる集塵電極１２３Ａ，１２８Ａを備える。この集塵電極１２３Ａ，１２８Ａは、集塵電極層１２３，１２８の一端側の集塵部１２０に対応する位置に略正方形状に形成された導体部と、この導体部からアルミナ基板の他端側へかけて線状に延びる導線部と、を含んで構成される。
また、集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部は、集塵用ＤＣ電源１３に電気的に接続されている。
なお、集塵電極１２３Ａ、１２８Ａの導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。
【００３６】
ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａを備え、これらヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａは、温度制御装置１５およびインピーダンス測定器１４に電気的に接続されている。
また、アルミナプレート１２１は、略矩形状のアルミナ基板であり、厚みは約１ｍｍである。
【００３７】
集塵用ＤＣ電源１３は、集塵電極層１２３，１２８に備えられた集塵電極１２３Ａ，１２８Ａの導線部に電気的に接続されている。集塵用ＤＣ電源１３は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、後述する測定電圧よりも大きい所定の集塵電圧を集塵電極層１２３，１２８間に印加する。電極部にＰＭが未付着の状態では静電容量の有意な変化が検出できず、測定が不可能であるところ、集塵電圧を印加してＰＭの付着を促進することにより、ある程度ＰＭが付着して静電容量の有意な変化が検出できる状態を素早く形成できる。
【００３８】
インピーダンス測定器１４は、測定電極層１２７の一対の櫛本体部に電気的に接続されている。インピーダンス測定器１４は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧および測定周期のもとで、センサ素子１２の静電容量を検出し、検出した静電容量に略比例した検出信号をＥＣＵ５に出力する。
【００３９】
温度制御装置１５は、各電極板１３０，１３１に接して設けられたヒータ層１２２，１２９のヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａに電気的に接続されており、これらヒータ層１２２，１２９に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源（図示せず）を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源は、ＥＣＵ５から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ層１２２，１２９に所定の電流を通電する。ヒータ層１２２，１２９は、ヒータ用電源から電流が供給されると発熱し、各電極板１３０，１３１を加熱する。これにより、各電極板１３０，１３１を加熱し、集塵部１２０に付着したＰＭを燃焼除去する。
なお、電極部の温度は、温度制御装置１５により検出されるヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。
【００４０】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果等を記憶する記憶回路と、センサ制御ユニット１７およびエンジン１の燃料噴射弁等に制御信号を出力する出力回路とを備える。
以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ５には、以下に示すＰＭセンサの制御処理を実行するための粒子状物質検出部、再生完了判定部および周波数変更部の各モジュールが構成される。
【００４１】
次に、図１０〜１４を参照して、ＥＣＵによるＰＭセンサの制御について説明する。
図１０は、ＥＣＵによるＰＭセンサの制御手順を示すフローチャートである。このＰＭセンサの制御処理は、ＥＣＵにより所定の周期で繰り返し実行される。
【００４２】
ステップＳ１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ２に移る。
検出用周波数ｆａとしては、後述する再生用周波数ｆｚよりも低い周波数に設定される。例えば、検出用周波数ｆａは、再生用周波数ｆｚに対して、ｆａ＝ｆｚ×１０−２（Ｈｚ）の関係式を満たすように設定される。
【００４３】
ステップＳ２では、電極部の静電容量の測定を開始する。具体的には、ステップＳ１で切換え設定した検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加し、静電容量の測定を開始する。その後、ステップＳ３に移る。
【００４４】
ステップＳ３では、電極部の温度Ｔが１００℃以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、エンジンの始動時に発生して電極部に付着した凝縮水が揮発する状態にあると判断し、ステップＳ４に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
なお、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。より詳しくは、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線１２２Ａ，１２９Ａの抵抗値に基づいて、ＥＣＵ５により算出される。
【００４５】
ステップＳ４では、測定された電極部の静電容量Ｃが、所定の閾値Ｃ１以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部に付着していた凝縮水が完全に揮発して除去されたと判断し、ステップＳ５に移る。一方、この判別がＮＯの場合には、凝縮水がまだ電極部に付着していると判断し、この判別を再度実行する。
なお、所定の閾値Ｃ１としては、図４に示した温度Ｔ２（ＰＭの温度特性変化が増大して静電容量が急激に増大しはじめる温度であり、具体的には４００℃）以下の所定温度におけるＰＭが付着した電極部の静電容量に設定される。凝縮水のような液体は導電率が高いため、その静電容量はＰＭに比して顕著に大きいことから、Ｃ１以下であれば、凝縮水は完全に除去されたと判断できる。
【００４６】
ステップＳ５では、電極部の再生の有無を判定する。具体的には、測定された電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ０を超えているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部の再生処理が必要であると判断し、ステップＳ６の電極部再生処理に移る。一方、ＮＯの場合には、電極部の再生処理は不要であると判断し、ステップＳ７のＰＭ検知処理に移る。
所定の閾値Ｃ０は、予め実験を行うことにより設定される。例えば、後述する図１３で示すように、ＰＭが付着していない電極部の静電容量に設定される。
【００４７】
ステップＳ６では、電極部の再生処理を実行する。その後、ステップＳ７のＰＭ検知処理に移る。本ステップにより、電極部に付着していたＰＭが燃焼除去される。この電極部の再生処理の詳細については後述する。
【００４８】
ステップＳ７では、ＰＭの検知処理を実行する。その後、本ＰＭセンサの制御処理を終了する。本ステップにより、排気中のＰＭ濃度や捕集率が算出される。このＰＭ検知処理の詳細については後述する。
【００４９】
次に、ＰＭセンサの電極部再生処理の手順について説明する。
図１１は、ＰＭセンサの電極部再生処理の手順を示すフローチャートである。
【００５０】
ステップＳ６１では、電極部に印加されている測定電圧の検出用周波数ｆａを、再生用周波数ｆｚに切換える処理を実行する。その後、ステップＳ６２に移る。
再生用周波数ｆｚとしては、上述の検出用周波数ｆａよりも高い周波数に設定され、例えば、再生用周波数ｆｚは、検出用周波数ｆａに対して、ｆｚ＝ｆａ×１０２（Ｈｚ）の関係式を満たすように設定される。
【００５１】
ここで、検出用周波数ｆａと再生用周波数ｆｚについて、図１２を参照して説明する。
図１２は、再生時における電極部の静電容量の周波数特性を示す図である。図１２に示すように、先ず、検知処理時における集塵の際には、検出用周波数ｆａの集塵電圧を電極部に印加することにより、ＰＭが積極的に電極部に付着するため、静電容量Ｃは急激な立ち上りを示す。その後、検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加すると、ＰＭが電極部に自然付着していくにつれて、静電容量Ｃは緩やかに上昇した後、やがて飽和する。
再生処理時には、電極部の温度ＴはＰＭの温度特性変化が増大しはじめる温度Ｔ２（４００℃）を超えるため、静電容量Ｃは指数関数的に増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達したときに、ＰＭは燃焼除去されるため、静電容量Ｃは急激に低下する。
【００５２】
このように、再生用周波数ｆｚに比して低い検出用周波数ｆａの場合には、検知処理時と再生処理時とでは測定される静電容量の値が大きく異なる。そのため、検知処理時の測定感度を維持するためには、検知処理時には測定レンジ１の測定回路を用い、再生処理時にはより広い測定レンジ２の測定回路に切換える必要がある。これに対して本実施形態では、再生処理時に、例えば電極部の温度ＴがＴ２に達したときに、検出用周波数ｆａから再生用周波数ｆｚへの切換えを実行し、これにより、再生時における電極部の静電容量Ｃの値を小さくして、再生処理時の測定回路の切換えを不要とするものである。従って、再生用周波数ｆｚは、測定される静電容量Ｃの値が測定レンジ１の範囲内となるように、即ち検出用周波数ｆａのときの測定レンジと同等の測定レンジとなるように、設定される。
【００５３】
図１１に戻って、ステップＳ６２では、ヒータをオンにし、ＰＭセンサの電極部の温度を昇温させる。その後、ステップＳ６３に移る。
具体的には、温度制御装置により、電極部の温度を図４に示したＰＭの燃焼温度Ｔ１（５５０℃）まで昇温させる。
【００５４】
ステップＳ６３では、電極部の温度Ｔが、ＰＭの燃焼温度Ｔ１に達したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ６４に移り、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
なお、電極部の温度Ｔは、温度制御装置により検出されたヒータ配線の抵抗値に基づいて算出される。
【００５５】
ステップＳ６４では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ２以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、電極部の再生が完了したものと判断し、ステップＳ６５に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
【００５６】
ここで、所定の閾値Ｃ２について、図１３を参照して説明する。
図１３は、再生時における電極部の静電容量変化を示す図である。図１３に示すように、電極部にＰＭが付着していない場合には、電極部自体の温度特性により、静電容量Ｃ０の初期状態から温度の上昇とともに静電容量は増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達した後、静電容量は緩やかに減少し、所定の静電容量で収束する。静電容量の立ち上り部分におけるオーバーシュートは、ヒータ制御のオーバーシュート、検知できないほど微量のＰＭ、静電容量測定用の測定電極とヒータ間に生じる温度差などが要因と考えられる。
これに対して、電極部にＰＭが付着している場合には、電極部およびＰＭの温度特性により、静電容量Ｃ１の初期状態から温度の上昇とともに静電容量は指数関数的に増大する。そして、電極部の温度ＴがＰＭ燃焼温度Ｔ１に達すると、ＰＭは燃焼除去されるため、静電容量は急激に小さくなり、ＰＭが付着していなかった場合と同一の静電容量で収束する。このときの収束値をＣ２と設定し、電極部の再生の完了の判定基準として用いる。
【００５７】
図１１に戻って、ステップＳ６５では、ヒータをオフにし、電極部再生処理を終了する。
【００５８】
次に、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順について説明する。
図１４は、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ７０１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０２に移る。
【００６０】
ステップＳ７０２では、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０３に移る。
ここで、排気に含まれるＰＭの濃度は、予め作成されてＥＣＵに格納された静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップを参照することにより、算出される。上述したように、静電容量変化は測定電圧の周波数に応じて変動することから、ステップＳ７０１で実行した検出用周波数ｆａの切換えに伴って、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップの切換えを実行するものである。
【００６１】
ステップＳ７０３では、ＰＭの集塵を開始する。その後、ステップＳ７０４に移る。
具体的には、電極部に検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加し、排気に含まれるＰＭを積極的に捕集する。集塵は、例えば車速が０になったときなど、予め決定されたタイミングで開始する。
【００６２】
ステップＳ７０４では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ４以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、測定される静電容量に有意な変化が現れ、その変化に基づいてＰＭ濃度の算出が可能な程度にＰＭが捕集されたと判断し、ステップＳ７０５に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ４は、予め実験を行うことにより、測定される静電容量に有意な変化が現れる程度に、電極部にＰＭが付着したときの静電容量に設定される。
【００６３】
ステップＳ７０５では、ＰＭの集塵を停止する。その後、ステップＳ７０６に移る。
具体的には、電極部に対する検出用周波数ｆａの集塵電圧の印加を停止し、ＰＭの捕集を停止する。
【００６４】
ステップＳ７０６では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ３未満であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、ステップＳ７０７に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態であると判断し、ステップＳ７０８に移る。
所定の閾値Ｃ３は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００６５】
ステップＳ７０７では、排気中のＰＭ濃度を算出する。算出後は、ステップＳ７０６に戻る。
具体的には、ＰＭ濃度は、検出用周波数ｆａのときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップを参照することにより、算出される。
【００６６】
ステップＳ７０８では、現在設定されている測定電圧の検出用周波数ｆが、再生用周波数ｆｚに達しているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、これ以上高い周波数への切換えを実行した場合にあっては測定回路の測定レンジを超えてしまうため、周波数の切換えを実行せずにＰＭ検知処理を終了する。一方、ＮＯの場合には、ステップＳ７０９に移る。
【００６７】
ステップＳ７０９では、より高い検出用周波数への切換えを実行する。その後、ステップＳ７１０に移る。
【００６８】
ステップＳ７１０では、切換え後の検出用周波数のときの静電容量変化に応じたＰＭ濃度マップへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７０６に戻る。
【００６９】
ここで、検出用周波数の切換えについて、図１５を参照して説明する。
図１５は、周波数の切換えを実行したときの静電容量の変化を示す図である。図１５に示すように、先ず、低い検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加してＰＭの捕集を積極的に行った後、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加すると、時間の経過とともに電極部にＰＭが自然付着することにより、静電容量Ｃは増大する。そして、静電容量Ｃが予め設定されたＰＭ濃度を検知可能な上限値Ｃ３に達したときに、より高い周波数ｆｂへの切換えを実行する。上述したように、周波数が高くなるにつれて静電容量は小さくなる一方で、検知可能な上限値はＣ３で一定であることから、図１５に示すように、この周波数の切換えにより静電容量の測定の継続が可能となる。周波数ｆｂでの測定を継続し、再び静電容量がＣ３に達したときに、より高い周波数ｆｃへの切換えを実行する。このような周波数の切換え処理を、周波数ｆが再生用周波数ｆｚに達するまで繰り返し実行する。
なお、切換える検出用周波数としては、例えば、切換え前の検出用周波数に所定値α（＞０）を加算して得られた検出用周波数の他、切換え前の検出用周波数に所定値αを乗算して得られた検出用周波数が挙げられる。
【００７０】
なお、本実施形態のＰＭ検知処理により算出されたＰＭ濃度は、例えばＤＰＦの故障検知に利用される。また、本実施形態のＰＭ検知処理では、検出用周波数を切換えることによって静電容量の測定を継続して実行できるため、例えば内燃機関の燃焼制御や、ＰＭ堆積計算の補正などに利用される。
【００７１】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、ＰＭの集塵・検知時には、周波数が低い検出用周波数ｆａの測定電圧を電極部に印加して静電容量を測定し、測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値を検出する構成とした。また、検出後に実行する電極部の再生時には、検出用周波数ｆａよりも高い再生用周波数ｆｚに変更して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて電極部の再生の完了を判定する構成とした。
即ち、本実施形態によれば、静電容量が顕著に増大する電極部の再生時に、ＰＭの集塵・検知時に比べて高い周波数の測定電圧に切換える構成としたため、測定される静電容量の値を小さくできる。これにより、測定電圧の周波数を高周波数化することによって、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となり、測定回路の切換えを行うことなく、測定された静電容量に基づいて再生の完了を判定できる。従って、電極部の再生時とＰＭの集塵・検知時とで、測定回路を切換えることなく１つの測定回路でＰＭを検出でき、コストを削減できる。
また、例えば１つの測定回路で測定レンジを広げた場合と比べて、精度良く静電容量を測定でき、再生の完了を精度良く判定できる。
【００７２】
また、本実施形態では、ＰＭの集塵・検知時において、先ず、周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値を検出する構成とした。また、電極部にＰＭが付着することによって静電容量が所定の上限値Ｃ３に達したときには、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換えて静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続する構成とした。
これにより、周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して測定された静電容量が所定の上限値Ｃ３にまで達したときに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換えることにより、測定される静電容量の値を小さくでき、より広いレンジでの静電容量の測定が可能となる。そのため、静電容量の変化の検出を継続でき、排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続して行うことができる。従って、検出時間を長く確保することができるため、ＰＭの量に相関のある値の検出頻度を高めて検出精度を向上できる。また、検出精度を向上できるため、電極部の再生回数を低減でき、燃費を向上できる。
また、本実施形態によれば、検出時間を長く確保できるため連続測定に近い測定が可能となり、ＤＰＦの故障判定以外のエンジン制御にも利用できる。
【００７３】
また、本実施形態では、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加して測定した電極部の静電容量が、有意な変化が現れる上限値Ｃ３に達したときに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂの測定電圧に切換える構成とした。
これにより、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加することによって静電容量の変化を検出可能な限界まで静電容量の測定を行った後に、検出用周波数ｆｂに切換えて静電容量の測定を継続できる。そのため、検出時間をより長く確保することができるため、検出頻度をより高めて検出精度をより向上できる。
【００７４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、ＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順が第１実施形態と異なる。具体的には、検出用周波数の切換えを実行する条件が第１実施形態と異なり、ＥＣＵの構成が第１実施形態と異なる。
具体的には、図示しない本実施形態のＥＣＵ５Ａは、ＥＣＵ５の構成に加えて、以下に示すＰＭセンサの制御処理を実行するための故障判定部、実行判定部および排出量算出部
の各モジュールが構成される。
また、本実施形態のＥＣＵ５Ａには、警告灯が接続される。警告灯は、ＤＰＦが故障した状態であることを示すためのものであり、例えば、車両のメータパネルに設けられる。警告灯は、ＥＣＵ５Ａから送信された制御信号に基づいて点灯し、これにより、運転者はＤＰＦが故障した状態であることを認識する。
【００７５】
以下、本実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順について説明する。
図１６は、本実施形態に係るＰＭセンサのＰＭ検知処理の手順を示すフローチャートである。
【００７６】
ステップＳ７２１では、電極部に印加する測定電圧の周波数ｆが、周波数が低く高感度測定が可能な検出用周波数ｆａに設定されていない場合には、ｆａへの切換えを実行する。その後、ステップＳ７２２に移る。
【００７７】
ステップＳ７２２では、ＰＭの集塵を開始する。その後、ステップＳ７２３に移る。
具体的には、電極部に検出用周波数ｆａの集塵電圧を印加し、排気に含まれるＰＭを積極的に捕集する。集塵は、例えば車速が０になったときなど、予め決定されたタイミングで開始する。
【００７８】
ステップＳ７２３では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ４以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、測定される静電容量に有意な変化が現れ、その変化に基づいてＰＭ濃度の算出が可能な程度にＰＭが捕集されたと判断し、ステップＳ７２４に移る。一方、ＮＯの場合には、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ４は、予め実験を行うことにより、測定される静電容量に有意な変化が現れる程度に、電極部にＰＭが付着したときの静電容量に設定される。
【００７９】
ステップＳ７２４では、ＰＭの集塵を停止する。その後、ステップＳ７２５に移る。
具体的には、電極部に対する検出用周波数ｆａの集塵電圧の印加を停止し、ＰＭの捕集を停止する。
【００８０】
ステップＳ７２５では、エンジンから排出されてＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を開始する。ＰＭ量Ｙの積算は、ＰＭ量Ｙが「０」でない場合には「０」にリセットした後に開始する。その後、ステップＳ７２６に移る。
なお、ＰＭ量Ｙは、例えば、エンジン回転数および燃料噴射量に応じた所定のマップを検索することにより算出される。また、例えば、ＤＰＦの上流側の排気管内に、別のＰＭセンサを設け、このＰＭセンサの出力に基づいてＰＭ量Ｙを算出することもできる。
【００８１】
ステップＳ７２６では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ５以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態になったと判断し、ステップＳ７２７に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、測定を継続してこの判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ５は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００８２】
ステップＳ７２７では、ＤＰＦの故障判定を実行するか否かを判定する。具体的には、積算されたＰＭ量Ｙが、所定の閾値Ｙ１以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、十分な精度でＰＭ捕集率を算出でき精度の高いＤＰＦ故障判定が可能である程、多量のＰＭが排出されてＤＰＦに流入したと判断し、ステップＳ７２８に移る。一方、ＮＯの場合には、少量のＰＭしかＤＰＦに流入しておらず、精度の高いＤＰＦ故障判定が不可能であると判断し、ステップＳ７３０に移る。
【００８３】
ステップＳ７２８では、上記ステップＳ７２７で、精度の高いＤＰＦ故障判定が可能である程、多量のＰＭが排出されてＤＰＦに流入したと判断されたため、ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を終了する。その後、ステップＳ７２９に移る。
【００８４】
ステップＳ７２９では、ＤＰＦにおけるＰＭ捕集率Ｘを算出する。算出後は、ステップＳ７３４に移る。
具体的には、下記式（１）により、ＰＭ捕集率Ｘ（％）を算出する。下記式（１）において、Ｙは、ステップＳ７２５で積算を開始しステップＳ７２８で積算を終了して取得したＰＭの積算量であり、Ｍ１は、ＰＭ量Ｙの積算期間（即ち、検出用周波数ｆａを印加して静電容量を測定していた期間）において、ＤＰＦから流出したＰＭの総量である。なお、このＭ１は、予め実験を行うことにより設定されてＥＣＵに格納された、図１７に示すようなＰＭ総量（ＤＰＦから流出したＰＭの総量）と静電容量Ｃとの関係に基づいて算出される。
［数１］
Ｘ（％）＝（１−Ｍ１／Ｙ）×１００ ・・・式（１）
【００８５】
ステップＳ７３０では、上記ステップＳ７２７で、少量のＰＭしかＤＰＦに流入しておらず、精度の高いＤＰＦ故障判定が不可能であると判断されたため、検出用周波数ｆａから、より高い検出用周波数ｆｂへの切換えを実行する。これにより、測定される静電容量の値を小さくでき、静電容量の測定の継続が可能となる。その後、ステップＳ７３１に移る。
【００８６】
ステップＳ７３１では、電極部の静電容量Ｃが所定の閾値Ｃ５以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知不可能な状態になったと判断し、ステップＳ７３２に移る。一方、ＮＯの場合には、ＰＭセンサが静電容量の変化を検知可能な状態であると判断し、この判定を再度実行する。
所定の閾値Ｃ５は、予め実験を行うことにより、静電容量に有意な変化が現れる上限値に設定される。
【００８７】
ステップＳ７３２では、ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算を終了する。その後、ステップＳ７３３に移る。
【００８８】
ステップＳ７３３では、ＤＰＦにおけるＰＭ捕集率Ｘを算出する。算出後は、ステップＳ７３４に移る。
具体的には、下記式（２）により、ＰＭ捕集率Ｘ（％）を算出する。下記式（２）において、Ｙは、ステップＳ７２５で積算を開始しステップＳ７３２で積算を終了して取得したＰＭの積算量であり、Ｍ２は、ＰＭ量Ｙの積算期間（即ち、検出用周波数ｆａを印加して静電容量を測定していた期間と検出用周波数ｆｂを印加して静電容量を測定していた期間の合計期間）においてＤＰＦから流出したＰＭの総量である。なお、このＭ２は、予め実験を行うことにより設定されてＥＣＵに格納された、図１７に示すようなＰＭ総量（ＤＰＦから流出したＰＭの総量）と静電容量Ｃとの関係に基づいて算出される。
［数２］
Ｘ（％）＝（１−Ｍ２／Ｙ）×１００ ・・・式（２）
【００８９】
ステップＳ７３４では、ＤＰＦの故障判定を実行する。具体的には、ステップＳ７２９またはステップＳ７３３で算出されたＰＭ捕集率Ｘが、所定の閾値Ｘ１以下であるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ステップＳ７３５に移ってＤＰＦは正常であると判断し、本ＰＭ検知処理を終了する。一方、ＹＥＳの場合には、ステップＳ７３６に移ってＤＰＦは故障していると判断し、警告灯を点灯させて、本ＰＭ検知処理を終了する。
なお、所定の閾値Ｘ１は、予め実験を行うことにより設定される。具体的には、所定の閾値Ｘ１は、図１８に示すようなＰＭ捕集率ＸとＰＭエミッション値との関係に基づいて、ＰＭエミッション値が所定値となるときのＰＭ捕集率Ｘ２と、ＰＭエミッション値が所定値＋αとなるときのＰＭ捕集率Ｘ３との間の値に設定される。
【００９０】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、さらに以下の効果が奏される。
本実施形態では、電極部にＰＭが付着することによって、検出用周波数ｆａの測定電圧で測定された静電容量が所定の上限値Ｃ５に達し、かつエンジンからのＰＭの排出量が所定量Ｙ１以上であるときには、ＤＰＦの故障判定を実行する構成とした。また、静電容量が所定の上限値Ｃ５に達し、かつエンジンからのＰＭの排出量が所定量Ｙ１未満であるときには、ＤＰＦの故障判定を実行せずに、検出用周波数ｆａよりも高い検出用周波数ｆｂに切換えたうえでＰＭの量に相関のある値の検出を継続し、故障判定を実行する構成とした。
これにより、検出用周波数ｆａの測定電圧を印加した状態で、ＤＰＦの故障判定が精度良く行える所定量Ｙ１以上のＰＭが排出されていたときに故障判定を実行するため、精度の高い故障判定ができる。一方、故障判定が精度良く行える所定量Ｙ１以上のＰＭが排出されていなかったときには故障判定を実行しないため、誤判定のおそれを回避できる。また、この場合には、より高い周波数の検出用周波数ｆｂに切換えることによって、検出用周波数ｆｂの測定電圧で測定された静電容量の変化に基づいて排気に含まれるＰＭの量に相関のある値の検出を継続し、かかる値に基づいた故障判定を再度、実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
ところで、測定精度としては周波数の低い測定電圧の方が高いため、より周波数の低い検出用周波数ｆａの測定電圧を印加した状態で測定を行うのが望ましい。これに対して、故障判定では、測定レンジを広く使って静電容量の測定およびＰＭの量に相関のある値の検出を行うことにより、高い判定精度が得られる。そのため、検出用周波数ｆａの測定電圧で、複数回に分割して故障判定を実行した場合にあっては、故障判定の精度は大きく低下する。そこで、本実施形態によれば、検出用周波数ｆａの測定電圧下で測定可能な限界まで測定を行った後、ＰＭの排出量が少ない場合には故障判定を実行せずに、より高い検出用周波数ｆｂに切換えたうえで測定、検出を継続し、故障判定を実行するため、精度の高い故障判定が可能となる。
【００９１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上記第２実施形態では、ＤＰＦのＰＭ捕集率Ｘに基づいてＤＰＦの故障判定を実行したが、これに限定されない。ＤＰＦに流入するＰＭ量Ｙの積算の代わりに、エンジンから排出される排気量、即ちＤＰＦに流入する排気量を積算してもよい。排気量は、エンジンの吸気量などに基づいて算出される。この場合には、ＰＭ捕集率Ｘの代わりに、排気量の積算期間においてＤＰＦから流出したＰＭの総量を排気量で除して平均ＰＭ濃度を算出し、この平均ＰＭ濃度に基づいてＤＰＦの故障判定を実行する。
また、ＤＰＦに流入するＰＭ量とＤＰＦから流出したＰＭ量から直接、ＤＰＦの故障判定を実行してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１…エンジン（内燃機関）
１１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
１２…センサ素子
１２０…集塵部（電極部）
１２２，１２９…ヒータ層（電極部再生手段）
１３０，１３１…電極板（電極部）
１７…センサ制御ユニット（測定手段、粒子状物質検出手段、電極部再生手段、再生完了判定手段、周波数変更手段）
３…ＤＰＦ
４…排気管（排気系）
５…ＥＣＵ（粒子状物質検出装置、再生完了判定手段、周波数変更手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられた電極部と、
前記電極部に測定電圧を印加して前記電極部の静電容量を測定する測定手段と、
前記測定手段によって測定される静電容量が前記電極部に粒子状物質が付着することにより変化する特性に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、
前記粒子状物質検出手段による検出を実行した後、前記電極部に付着している粒子状物質を燃焼除去することで前記電極部を再生する電極部再生手段と、
前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段と、を備える粒子状物質検出装置であって、
前記測定手段によって印加される交流の測定電圧の周波数を変更する周波数変更手段を備え、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、
前記再生完了判定手段は、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の実行時において、前記周波数変更手段によって前記電極部に印加する測定電圧の周波数を前記検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更したうえで前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定することを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記周波数変更手段は、第１の検出用周波数と、当該第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の少なくとも２つの検出用周波数に切換え可能であり、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値に達したときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記所定の上限値は、前記電極部に粒子状物質が付着することにより、前記電極部の静電容量に有意な変化が現れる上限値であることを特徴とする請求項２記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
内燃機関の排気系に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタの故障検知装置であって、
前記排気浄化フィルタの下流に設けられた請求項２または３記載の粒子状物質検出装置と、
前記粒子状物質検出手段によって検出された排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値に基づいて、前記排気浄化フィルタの故障を判定する故障判定手段と、
前記故障判定手段による故障判定を実行するか否かを判定する実行判定手段と、
前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加して静電容量を測定していた期間における前記内燃機関からの粒子状物質の排出量を算出する排出量算出手段と、を備え、
前記実行判定手段は、前記排出量が所定量以上であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行すると判定し、前記排出量が前記所定量未満であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定し、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が前記所定の上限値に達しかつ前記実行判定手段によって前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定されたときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする排気浄化フィルタの故障判定装置。
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられた電極部と、
前記電極部に測定電圧を印加して前記電極部の静電容量を測定する測定手段と、
前記測定手段によって測定される静電容量が前記電極部に粒子状物質が付着することにより変化する特性に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出する粒子状物質検出手段と、
前記粒子状物質検出手段による検出を実行した後、前記電極部に付着している粒子状物質を燃焼除去することで前記電極部を再生する電極部再生手段と、
前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定する再生完了判定手段と、を備える粒子状物質検出装置であって、
前記測定手段によって印加される交流の測定電圧の周波数を変更する周波数変更手段を備え、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、
前記再生完了判定手段は、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の実行時において、前記周波数変更手段によって前記電極部に印加する測定電圧の周波数を前記検出用周波数よりも高い再生用周波数に変更したうえで前記測定手段によって測定された静電容量に基づいて、前記電極部再生手段による前記電極部の再生の完了を判定することを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記周波数変更手段は、第１の検出用周波数と、当該第１の検出用周波数よりも高い第２の検出用周波数の少なくとも２つの検出用周波数に切換え可能であり、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が所定の上限値に達したときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記所定の上限値は、前記電極部に粒子状物質が付着することにより、前記電極部の静電容量に有意な変化が現れる上限値であることを特徴とする請求項２記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
内燃機関の排気系に設けられ、排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタの故障検知装置であって、
前記排気浄化フィルタの下流に設けられた請求項２または３記載の粒子状物質検出装置と、
前記粒子状物質検出手段によって検出された排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値に基づいて、前記排気浄化フィルタの故障を判定する故障判定手段と、
前記故障判定手段による故障判定を実行するか否かを判定する実行判定手段と、
前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加して静電容量を測定していた期間における前記内燃機関からの粒子状物質の排出量を算出する排出量算出手段と、を備え、
前記実行判定手段は、前記排出量が所定量以上であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行すると判定し、前記排出量が前記所定量未満であるときには、前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定し、
前記粒子状物質検出手段は、前記電極部に前記第１の検出用周波数の測定電圧を印加したときの静電容量の変化に基づいて、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値を検出し、前記電極部に粒子状物質が付着することによって静電容量が前記所定の上限値に達しかつ前記実行判定手段によって前記排気浄化フィルタの故障判定を実行しないと判定されたときには、前記周波数変更手段によって前記第１の検出用周波数から前記第２の検出用周波数に切換えたうえで、排気に含まれる粒子状物質の量に相関のある値の検出を継続することを特徴とする排気浄化フィルタの故障判定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−２２０９７４（Ｐ２０１１−２２０９７４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９３３７５（Ｐ２０１０−９３３７５）
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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