粒子状物質検出装置
【課題】エンジンの運転状態や排気の温度によらず安定して濃度を検出できるＰＭセンサを提供すること。
【解決手段】ＰＭセンサは、エンジンの排気管に設けられたセンサ電極部を有し、排気に含まれるＰＭが付着したセンサ電極部の電気的特性に基づいて、排気のＰＭ濃度を検出する。ＰＭセンサは、センサ電極部に付着したＰＭの温度を、その電気物性が安定する安定ＰＭ温度範囲内に制御した上で、センサ電極部の静電容量変化量ΔＣを測定し、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて排気のＰＭ濃度を検出する。
【解決手段】ＰＭセンサは、エンジンの排気管に設けられたセンサ電極部を有し、排気に含まれるＰＭが付着したセンサ電極部の電気的特性に基づいて、排気のＰＭ濃度を検出する。ＰＭセンサは、センサ電極部に付着したＰＭの温度を、その電気物性が安定する安定ＰＭ温度範囲内に制御した上で、センサ電極部の静電容量変化量ΔＣを測定し、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて排気のＰＭ濃度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置に関する。特に、内燃機関から排出された排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気管には、排気の粒子状物質の濃度を検出するために粒子状物質検出装置が設けられている。この粒子状物質検出装置として、例えば特許文献１には、排気管内に電極部を設け、この電極部に排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性を測定することにより排気管内の排気の粒子状物質の濃度を検出するものが示されている。
【特許文献１】特開２００８−１３９２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、粒子状物質は温度が変化するとその電気物性も変化するという特性がある。このため、上述のように、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性の測定に基づいて粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置では、内燃機関の運転状態や排気の温度の変動に応じて検出値も変動してしまうおそれがある。
【０００４】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の電気的特性の測定に基づいて排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して濃度を検出できる粒子状物質検出装置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】
【０００５】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路（ＥＰ）に設けられた電極部（２）を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置（１）であって、前記電極部に付着した粒子状物質の温度を制御する温度制御手段（５，６，８）と、前記温度制御手段により前記電極部に付着した粒子状物質の温度をその電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段（６）と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の粒子状物質検出装置において、前記安定温度範囲は、２００℃以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置において、前記温度制御手段は、前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータ（Ｔ）を検出するパラメータ検出手段（５，６，８）と、前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータに応じて前記電極部を加熱する加熱手段（５，６）と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の粒子状物質検出装置において、前記加熱手段は、前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、前記相関に基づいて前記安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定し、前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には、前記電極部を加熱せず、前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には、前記電極部を加熱することを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の粒子状物質検出装置において、前記濃度検出手段は、前記電極部に所定の電圧を印加することで排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、温度制御手段により電極部に付着した粒子状物質の温度を、その電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、電極部の電気的特性を測定する。これにより、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して電極部の電気的特性を測定することができる。したがって、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、温度制御手段により電極部に付着した粒子状物質の温度を２００℃以上に制御した上で、電極部の電気的特性を測定する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の電気物性をより確実に安定させながら、電極部の電気的特性を測定することができる。したがって、より安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータを検出し、検出したパラメータに応じて電極部を加熱する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の温度をより確実に安定温度範囲内に制御することができる。したがって、より安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定する。さらに、パラメータが安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には電極部を加熱せず、パラメータが安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には電極部を加熱する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の温度を安定温度範囲内に制御しながら、電極部を加熱するための余分な電力の消費を抑制することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、電極部に所定の電圧を印加することで粒子状物質を電極部に付着させた後、電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する。すなわち、この粒子状物質検出装置では、粒子状物質を電極部に付着させる工程と、電極部の電気的特性を測定する工程との２つの工程を実行する必要があるため、精度の高い検出が可能である反面、粒子状物質の濃度を検出するまでに時間がかかる。このため、２つの工程を実行している間に内燃機関の運転状態が変動し、電極部に付着した粒子状物質の温度が変動してしまい、結果として検出精度が低下してしまうおそれがある。したがって、上述のように電極部の電気的特性を測定する前に、この電極部に付着した粒子状物質の温度を安定温度範囲に制御することは、このような検出までに時間がかかる検出装置では、特に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１の構成を示す模式図である。
【００１５】
ＰＭセンサ１は、エンジンの排気管ＥＰ内に設けられたセンサ電極部２と、このセンサ電極部２に接続された集塵用ＤＣ電源３、及びインピーダンス測定器４、センサ電極部２の温度を制御する温度制御装置５と、これらを制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）６と、を含んで構成される。以下、詳述するように、ＰＭセンサ１は、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）が付着したセンサ電極部２の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて、排気管ＥＰ内を流通する排気の粒子状物質の濃度（以下、「ＰＭ濃度」という）を検出する。
【００１６】
図２は、センサ電極部２の構成を示す図である。より具体的には、図２（Ａ）は、センサ電極部２の電極板２５の構成を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、２枚の電極板２５，２５を含んで構成されたセンサ電極部２の構成を示す斜視図である。
【００１７】
図２（Ａ）に示すように、電極板２５は、略矩形状のアルミナ基板２５１と、このアルミナ基板２５１の表面に形成されたタングステン導体層２５２と、を備える。このタングステン導体層２５２は、アルミナ基板２５１の略中央部において、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２５１の一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、アルミナ基板２５１の一端側には、このタングステン導体層２５２の導線部に積層して設けられたタングステン印刷部２５３が形成されている。
ここで、アルミナ基板２５１の厚みは、約１ｍｍであり、タングステン導体層２５２の導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。
【００１８】
図２（Ｂ）に示すように、センサ電極部２は、一対の電極板２５，２５を、板状のスペーサ２６，２６を介装して組み合わせることにより構成される。これらスペーサ２６，２６は、各電極板２５の両端側に設けられており、これにより、各電極板２５のタングステン導体層２５２の導体部には、ＰＭが集塵されるキャビティ２７が形成される。
【００１９】
図１に戻って、集塵用ＤＣ電源３及びインピーダンス測定器４は、切換スイッチＳＷを介してセンサ電極部２の電極板２５，２５に接続されている。
【００２０】
集塵用ＤＣ電源３は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、センサ電極部２の電極板２５，２５間に所定の電圧を所定の時間に亘って印加する。これにより、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれるＰＭを、電極板２５，２５に付着させる。
【００２１】
インピーダンス測定器４は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧及び測定周期の交流信号のもとでセンサ電極部２４の電極板２５，２５間の静電容量を検出し、検出した静電容量値に略比例した検出信号をＥＣＵ６に出力する。
【００２２】
切換スイッチＳＷは、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、電極板２５に対する接続を、集塵用ＤＣ電源３とインピーダンス測定器４との間で選択的に切り換える。後に詳述するように、センサ電極部２のキャビティ２７内にＰＭを集塵するサンプリング処理を実行する場合には集塵用ＤＣ電源３と電極板２５とを接続し、センサ電極部２の静電容量を測定する測定処理を実行する場合にはインピーダンス測定器４と電極板２５とを接続する。
【００２３】
温度制御装置５は、各電極板２５，２５に接して設けられたヒータ５１，５１と、これらヒータ５１，５１に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源５２と、を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源５２は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ５１，５１に所定の電流を通電する。ヒータ５１，５１は、ヒータ用電源５２から電流が供給されると発熱し、電極板２５，２５を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を制御することができる。また、電極板２５，２５を加熱し電極板２５，２５に付着したＰＭを燃焼除去することにより、センサ電極部２を再生することができる。
【００２４】
この他、ＥＣＵ６には、電極温度センサ８が接続されている。電極温度センサ８は、センサ電極部２に付着したＰＭの温度に相関のあるパラメータとして電極板２５の温度を検出し、検出信号をＥＣＵ６に出力する。
ここで、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度との関係について説明する。電極板２５の熱容量は、この電極板２５に付着するＰＭの熱容量よりも十分に大きい。このため、電極板２５の温度と異なる温度のＰＭが、この電極板２５に付着しても、ＰＭの温度は電極板２５の温度とほぼ等しくなる。したがって以下では、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度はほぼ等しいものとする。
【００２５】
ＥＣＵ６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など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、ＥＣＵ６は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、集塵用ＤＣ電源３、インピーダンス測定器４、ヒータ用ＤＣ電源５２、及び切換スイッチＳＷなどに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００２６】
図３は、ＰＭセンサ１により排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの始動後、ＥＣＵ６により実行される。
【００２７】
ステップＳ１では、ＰＭセンサの暖機、再生、及び校正を実行する。
ステップＳ２では、電極温度センサにより、センサ電極部の温度Ｔを検出する。
【００２８】
ステップＳ３では、検出したセンサ電極部の温度Ｔが、所定の下限値ＴＭＩＮで設定された安定電極温度範囲内にあるか否かを判別する。すなわち、検出したセンサ電極部の温度Ｔが下限値ＴＭＩＮ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、この判別がＮＯの場合にはステップＳ４に移る。
【００２９】
ここで、センサ電極部の温度に対する安定電極温度範囲について説明する。
一般的に、センサ電極部に付着したＰＭの電気物性は、その温度によって変化する。しかしながら、後に詳述するように、ＰＭの温度が所定の安定ＰＭ温度範囲内にある場合には、ＰＭの電気物性はその温度によらず安定する。
そこで、上述の安定電極温度範囲とは、このような安定ＰＭ温度範囲に対応して設定されたセンサ電極部の温度の範囲を示す。すなわち、安定電極温度範囲とは、センサ電極部にＰＭが付着した場合、この付着したＰＭの電気物性が安定すると考えられるセンサ電極部の温度の範囲を示す。
また、上述のように、センサ電極部に付着したＰＭの温度とセンサ電極部の電極板の温度とはほぼ等しいと考えられるため、これら安定ＰＭ温度範囲と安定電極温度範囲とは同じ温度範囲を示すと考えられる。
本実施形態では、この安定ＰＭ温度範囲、すなわち安定電極温度範囲は、後に図４〜図６を参照して詳述する電気物性把握実験に基づいて、例えば、２００℃以上に設定される。
【００３０】
ステップＳ４では、検出したセンサ電極部の温度Ｔが安定電極温度範囲内にないと判定されたことに応じて、ヒータにより所定の時間ｔに亘ってセンサ電極部を加熱し、ステップＳ２に移る。この加熱時間ｔは、加熱後のセンサ電極部の温度が上述の安定電極温度範囲内に含まれるように設定される。また、これに加えて、この加熱時間ｔは、加熱後のセンサ電極部の温度が安定電極温度範囲内であり、かつ、所定の燃焼開始温度ＴＭＡＸを超えないように設定されることが好ましい。ここで、燃焼開始温度ＴＭＡＸとは、ＰＭの燃焼が開始する温度を示す。
【００３１】
ステップＳ５では、センサ電極部の静電容量を測定し、これを初期静電容量ＣＩとして記録する。
ステップＳ６では、所定の時間に亘りサンプリング処理を実行する。このサンプリング処理では、具体的には、所定の時間に亘ってセンサ電極部に電圧を印加することにより、排気に含まれるＰＭをセンサ電極部に付着させる。
ここで、上述のように、センサ電極部の温度が安定電極温度範囲内にない場合には、センサ電極部を加熱しその温度が安定電極温度範囲内に含まれるようにしておくことにより、この処理においてセンサ電極部に付着したＰＭの温度も安定ＰＭ温度範囲内に含まれるように制御することができる。
【００３２】
ステップＳ７では、センサ電極部の電気的特性としての静電容量変化量ΔＣを測定する。具体的には、このステップＳ７では、センサ電極部の静電容量を測定し、これを集塵後静電容量ＣＦとして記録する。次に、この集塵後静電容量ＣＦから上述の初期静電容量ＣＩを減算したものを算出し、これを静電容量変化量ΔＣ（＝ＣＦ−ＣＩ）として記録する。すなわち、静電容量変化量ΔＣとは、センサ電極部にＰＭを集塵する前と集塵した後のセンサ電極部の静電容量の変化量を示す。
【００３３】
ステップＳ８では、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて、排気のＰＭ濃度を検出する。より具体的には、このステップＳ８では、センサ電極部の静電容量変化量ΔＣと排気管内のＰＭ濃度Ｆとを関係付ける制御マップＦ（ΔＣ）に基づいて、測定した静電容量変化量ΔＣに応じたＰＭ濃度Ｆを算出する。なお、この制御マップＦ（ΔＣ）は、センサ電極部の温度が安定電極温度範囲内に含まれている状態で行われた実験に基づいて作成されたものを用いる。
ステップＳ９では、センサ電極部を再生し、ステップＳ２に移る。
【００３４】
［電気物性把握実験］
次に、センサ電極部に付着したＰＭの電気物性を把握するための実験について説明する。
図４は、実験装置１００の構成を示す図である。
この電気物性把握実験では、電極板１０２，１０２間にＰＭが満たされた実験用センサ電極部１０１を準備し、この実験用センサ電極部１０１及びＰＭを炉１０３内で加熱しながらインピーダンス測定器１０４により実験用センサ電極部１０１のレジスタンス及びリアクタンスを測定した。
【００３５】
図５及び図６は、それぞれ、本実験の測定結果を示す図である。より具体的には、図５は、レジスタンスの温度特性を示し、図６は、リアクタンスの温度特性を示す。なお、これら測定結果の横軸のＰＭ温度は、実験を行う前に予め測定しておいた炉１０３の昇温プロファイルとＰＭの温度との関係に基づいて得られたものを示す。
【００３６】
図５に示すように、レジスタンスは、正の値であるとともにＰＭ温度が上昇するに従い小さくなり漸近的に０に収束する。また、図６に示すように、リアクタンスは、負の値であるとともにＰＭ温度が上昇するに従い漸近的に０に収束する。また、これら図５及び図６に示すように、ＰＭの温度変化に対するレジスタンス及びリアクタンスの変化の割合は、ＰＭの温度が上昇するに従い小さくなる。したがって、ＰＭの電気物性は、その温度が上昇するに従い安定すると言える。そこで、上述の安定電極温度範囲（安定ＰＭ温度範囲）の下限値ＴＭＩＮは、ＰＭの電気物性が安定してきたと判定される温度に設定される。本実験結果によれば、この安定電極温度範囲（安定ＰＭ温度範囲）の下限値ＴＭＩＮを２００℃とする。
【００３７】
［静電容量の温度特性把握実験］
次に、センサ電極部の静電容量の温度特性を把握するための静電容量の温度特性把握実験について説明する。
図７は、実験装置１１０の構成を示す図である。
実験装置１１０は、エンジン１１１と、このエンジン１１１の下流に設けられた正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３と、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３とで切り換える切換弁１１４と、正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３の下流側に設けられた試験用ＰＭセンサ１１５と、を含んで構成される。
【００３８】
正常ＤＰＦ１１２は、エンジン１１１から排出された排気に含まれるＰＭを捕集するフィルタである。したがって、正常ＤＰＦ１１２の下流側の排気のＰＭ濃度は、ほぼ０である。破損ＤＰＦ１１３は、正常ＤＰＦ１１２を故意に破損したものである。したがって、破損ＤＰＦ１１３の下流側には、所定のＰＭ濃度の排気が流通する。
試験用ＰＭセンサ１１５としては、上述の実施形態と同様のもの、すなわち、センサ電極部にヒータが設けられ、このヒータによりセンサ電極部の温度を制御できるものを準備した。
【００３９】
温度特性把握実験では、以上のように構成された実験装置１１０を用いて、センサ電極部の静電容量に関する３種類の実験（実験１〜実験３）を行った。以下では、図８〜図１０を参照して、これら３種類の実験及びその結果について説明する。
【００４０】
図８は、実験１の結果を示す図である。
実験１では、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を３２０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、センサ電極部に流入する排気の温度を１８０℃に変更し、このときにおけるセンサ電極部の静電容量を測定した。なお、排気の温度が３２０℃のときセンサ電極部の温度は３００℃であり、排気の温度が１８０℃のときセンサ電極部の温度は１５０℃であった。
図８には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図８に示すように、これら３つの条件の下では、センサ電極部の静電容量の測定値は、ほぼ等しいことが確認された。したがって、センサ電極部にＰＭが付着していない状態では、センサ電極部の静電容量は、排気の温度によらず一定であることが検証された。
【００４１】
図９は、実験２の結果を示す図である。
実験２では、切換弁１１４を破損ＤＰＦ１１３側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を破損ＤＰＦ１１３に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を３２０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させた。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を、２８０℃及び１８０℃に段階的に変更し、各温度におけるセンサ電極部の静電容量を測定した。なお、排気の温度が３２０℃のときセンサ電極部の温度は３００℃であり、排気の温度が２８０℃のときセンサ電極部の温度は２５０℃であり、排気の温度が１８０℃のときセンサ電極部の温度は１５０℃であった。
【００４２】
図９には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図９に示すように、センサ電極部にＰＭを集塵すると、センサ電極部の静電容量は上昇する。また、排気の温度を３２０℃から２８０℃に変化させた際には、センサ電極部の静電容量に大きな変化は確認されなかった。しかしながら、排気の温度を２８０℃から１８０℃に変化させると、センサ電極部の静電容量は小さくなることが確認された。
【００４３】
図１０は、実験３の結果を示す図である。
実験３では、切換弁１１４を破損ＤＰＦ１１３側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を破損ＤＰＦ１１３に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を２８０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させながら、センサ電極部の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を１８０℃にした。また、特にこの実験３では、センサ電極部の温度が３００℃に保たれるように、ヒータを駆動した。
【００４４】
図１０には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図１０に示すように、センサ電極部にＰＭを集塵すると、センサ電極部の静電容量は上昇する。また、上述の図９に示す結果とは異なり、排気の温度を２８０℃から１８０℃に変化させても、センサ電極部の温度を３００℃に保つことにより、センサ電極部の静電容量の測定値もほぼ一定になることが検証された。したがって、上述の実施形態のように、センサ電極部の温度を安定電極温度範囲内に制御した上でセンサ電極部の静電容量を測定することにより、エンジン１１１の運転状態や排気の温度によらず、センサ電極部の静電容量を測定できることが検証された。
【００４５】
本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を、その電気物性が安定する安定電極温度範囲内に制御した上で、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する。これにより、エンジンの運転状態や排気の温度によらず安定してセンサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定することができる。したがって、エンジンの運転状態や排気の温度によらず安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４６】
（２）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を２００℃以上に制御した上で、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの電気物性をより確実に安定させながら、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定することができる。したがって、より安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４７】
（３）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度に相関のあるパラメータとして、センサ電極部２の電極板２５の温度を検出し、検出した電極板２５の温度に応じてセンサ電極部２を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度をより確実に安定ＰＭ温度範囲内に制御することができる。したがって、より安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４８】
（４）本実施形態によれば、電極温度センサ８により検出された電極板２５の温度Ｔが、安定電極温度範囲内にあるか否かを判定する。さらに、電極板２５の温度Ｔが安定電極温度範囲内にあると判定した場合にはセンサ電極部２を加熱せず、電極板２５の温度Ｔが安定電極温度範囲内にないと判定した場合にはセンサ電極部２を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度をより確実に安定ＰＭ温度範囲内に制御しながら、センサ電極部２を加熱するための余分な電力の消費を抑制することができる。
【００４９】
（５）本実施形態によれば、センサ電極部２に所定の電圧を印加することでＰＭをセンサ電極部２に付着させた後、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定し、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて排気のＰＭの濃度を検出する。すなわち、このＰＭセンサ１では、ＰＭをセンサ電極部２に付着させる工程と、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する工程との２つの工程を実行する必要があるため、精度の高い検出が可能である反面、ＰＭ濃度を検出するまでに時間がかかる。このため、２つの工程を実行している間にエンジンの運転状態が変動し、センサ電極部２に付着したＰＭの温度が変動してしまい、結果として検出精度が低下してしまうおそれがある。したがって、上述のようにセンサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する前に、このセンサ電極部２に付着したＰＭの温度を安定ＰＭ温度範囲に制御することは、このような検出までに時間がかかるＰＭセンサ１では、特に効果的である。
【００５０】
本実施形態では、電極温度センサ８、温度制御装置５、及びＥＣＵ６が温度制御手段を構成し、ＥＣＵ６が濃度検出手段を構成し、電極温度センサ８、温度制御装置５、及びＥＣＵ６がパラメータ検出手段を構成し、温度制御装置５、及びＥＣＵ６が加熱手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１〜Ｓ９の実行に係る手段が濃度検出手段を構成し、図３のステップＳ２〜Ｓ４の実行に係る手段が温度制御手段を構成し、図３のステップＳ２の実行に係る手段がパラメータ検出手段を構成し、図３のステップＳ３及びＳ４の実行に係る手段が加熱手段を構成する。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、ステップＳ３においてセンサ温度が所定の下限温度よりも低い場合には、ステップＳ４に移り、所定の時間に亘ってセンサ電極部を加熱したが、これに限るものではない。例えば、センサ温度が下限温度を超えるまで、センサ温度を監視しながらセンサ電極部を加熱してもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、電極板２５の温度を電極温度センサ８で検出したが、これに限らない。センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、排気の温度を検出してもよい。
【００５３】
また、上記実施形態では、センサ電極部の温度が安定温度範囲内にない場合にのみ、ヒータによりセンサ電極部を加熱し、その温度が安定温度範囲内に含まれるように制御したが、これに限らない。例えば、センサ電極部の温度が、安定温度範囲内に設定された所定の目標温度に常に一致するようにしてもよい。この場合、目標温度は、ＰＭ濃度の測定が終了するまで、センサ電極部の温度が安定温度範囲内に含まれるように設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係るセンサ電極部の構成を示す斜視図である。
【図３】上記実施形態に係るＰＭセンサにより排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。
【図４】上記実施形態に係る電気物性把握実験の実験装置の構成を示す図である。
【図５】上記実験の測定結果であるレジスタンスの温度特性を示す図である。
【図６】上記実験の測定結果であるリアクタンスの温度特性を示す図である。
【図７】上記実施形態に係る温度特性把握実験の実験装置の構成を示す図である。
【図８】上記実験の結果を示す図である。
【図９】上記実験の結果を示す図である。
【図１０】上記実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
２…センサ電極部（電極部）
２５…電極板
３…集塵用ＤＣ電源
４…インピーダンス測定器
５…温度制御装置（温度制御手段、パラメータ検出手段、加熱手段）
５１…ヒータ
５２…ヒータ用ＤＣ電源
６…ＥＣＵ（温度制御手段、濃度検出手段、パラメータ検出手段、加熱手段）
８…電極温度センサ（温度制御手段、パラメータ検出手段）
ＥＰ…排気管（排気通路）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置に関する。特に、内燃機関から排出された排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気管には、排気の粒子状物質の濃度を検出するために粒子状物質検出装置が設けられている。この粒子状物質検出装置として、例えば特許文献１には、排気管内に電極部を設け、この電極部に排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性を測定することにより排気管内の排気の粒子状物質の濃度を検出するものが示されている。
【特許文献１】特開２００８−１３９２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、粒子状物質は温度が変化するとその電気物性も変化するという特性がある。このため、上述のように、粒子状物質が付着した電極部の電気的特性の測定に基づいて粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置では、内燃機関の運転状態や排気の温度の変動に応じて検出値も変動してしまうおそれがある。
【０００４】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、粒子状物質の電気的特性の測定に基づいて排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して濃度を検出できる粒子状物質検出装置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】
【０００５】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路（ＥＰ）に設けられた電極部（２）を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置（１）であって、前記電極部に付着した粒子状物質の温度を制御する温度制御手段（５，６，８）と、前記温度制御手段により前記電極部に付着した粒子状物質の温度をその電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段（６）と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の粒子状物質検出装置において、前記安定温度範囲は、２００℃以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置において、前記温度制御手段は、前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータ（Ｔ）を検出するパラメータ検出手段（５，６，８）と、前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータに応じて前記電極部を加熱する加熱手段（５，６）と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の粒子状物質検出装置において、前記加熱手段は、前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、前記相関に基づいて前記安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定し、前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には、前記電極部を加熱せず、前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には、前記電極部を加熱することを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れかに記載の粒子状物質検出装置において、前記濃度検出手段は、前記電極部に所定の電圧を印加することで排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、温度制御手段により電極部に付着した粒子状物質の温度を、その電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、電極部の電気的特性を測定する。これにより、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して電極部の電気的特性を測定することができる。したがって、内燃機関の運転状態や排気の温度によらず安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、温度制御手段により電極部に付着した粒子状物質の温度を２００℃以上に制御した上で、電極部の電気的特性を測定する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の電気物性をより確実に安定させながら、電極部の電気的特性を測定することができる。したがって、より安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータを検出し、検出したパラメータに応じて電極部を加熱する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の温度をより確実に安定温度範囲内に制御することができる。したがって、より安定して排気の粒子状物質の濃度を検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定する。さらに、パラメータが安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には電極部を加熱せず、パラメータが安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には電極部を加熱する。これにより、電極部に付着した粒子状物質の温度を安定温度範囲内に制御しながら、電極部を加熱するための余分な電力の消費を抑制することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、電極部に所定の電圧を印加することで粒子状物質を電極部に付着させた後、電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する。すなわち、この粒子状物質検出装置では、粒子状物質を電極部に付着させる工程と、電極部の電気的特性を測定する工程との２つの工程を実行する必要があるため、精度の高い検出が可能である反面、粒子状物質の濃度を検出するまでに時間がかかる。このため、２つの工程を実行している間に内燃機関の運転状態が変動し、電極部に付着した粒子状物質の温度が変動してしまい、結果として検出精度が低下してしまうおそれがある。したがって、上述のように電極部の電気的特性を測定する前に、この電極部に付着した粒子状物質の温度を安定温度範囲に制御することは、このような検出までに時間がかかる検出装置では、特に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る粒子状物質検出装置（以下、「ＰＭセンサ」という）１の構成を示す模式図である。
【００１５】
ＰＭセンサ１は、エンジンの排気管ＥＰ内に設けられたセンサ電極部２と、このセンサ電極部２に接続された集塵用ＤＣ電源３、及びインピーダンス測定器４、センサ電極部２の温度を制御する温度制御装置５と、これらを制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）６と、を含んで構成される。以下、詳述するように、ＰＭセンサ１は、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）」という）が付着したセンサ電極部２の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に基づいて、排気管ＥＰ内を流通する排気の粒子状物質の濃度（以下、「ＰＭ濃度」という）を検出する。
【００１６】
図２は、センサ電極部２の構成を示す図である。より具体的には、図２（Ａ）は、センサ電極部２の電極板２５の構成を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、２枚の電極板２５，２５を含んで構成されたセンサ電極部２の構成を示す斜視図である。
【００１７】
図２（Ａ）に示すように、電極板２５は、略矩形状のアルミナ基板２５１と、このアルミナ基板２５１の表面に形成されたタングステン導体層２５２と、を備える。このタングステン導体層２５２は、アルミナ基板２５１の略中央部において、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２５１の一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、アルミナ基板２５１の一端側には、このタングステン導体層２５２の導線部に積層して設けられたタングステン印刷部２５３が形成されている。
ここで、アルミナ基板２５１の厚みは、約１ｍｍであり、タングステン導体層２５２の導体部の一辺の長さは、約１０ｍｍである。
【００１８】
図２（Ｂ）に示すように、センサ電極部２は、一対の電極板２５，２５を、板状のスペーサ２６，２６を介装して組み合わせることにより構成される。これらスペーサ２６，２６は、各電極板２５の両端側に設けられており、これにより、各電極板２５のタングステン導体層２５２の導体部には、ＰＭが集塵されるキャビティ２７が形成される。
【００１９】
図１に戻って、集塵用ＤＣ電源３及びインピーダンス測定器４は、切換スイッチＳＷを介してセンサ電極部２の電極板２５，２５に接続されている。
【００２０】
集塵用ＤＣ電源３は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、センサ電極部２の電極板２５，２５間に所定の電圧を所定の時間に亘って印加する。これにより、排気管ＥＰ内を流通する排気に含まれるＰＭを、電極板２５，２５に付着させる。
【００２１】
インピーダンス測定器４は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、所定の測定電圧及び測定周期の交流信号のもとでセンサ電極部２４の電極板２５，２５間の静電容量を検出し、検出した静電容量値に略比例した検出信号をＥＣＵ６に出力する。
【００２２】
切換スイッチＳＷは、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、電極板２５に対する接続を、集塵用ＤＣ電源３とインピーダンス測定器４との間で選択的に切り換える。後に詳述するように、センサ電極部２のキャビティ２７内にＰＭを集塵するサンプリング処理を実行する場合には集塵用ＤＣ電源３と電極板２５とを接続し、センサ電極部２の静電容量を測定する測定処理を実行する場合にはインピーダンス測定器４と電極板２５とを接続する。
【００２３】
温度制御装置５は、各電極板２５，２５に接して設けられたヒータ５１，５１と、これらヒータ５１，５１に電力を供給するヒータ用ＤＣ電源５２と、を含んで構成される。
ヒータ用ＤＣ電源５２は、ＥＣＵ６から送信された制御信号に基づいて動作し、ヒータ５１，５１に所定の電流を通電する。ヒータ５１，５１は、ヒータ用電源５２から電流が供給されると発熱し、電極板２５，２５を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を制御することができる。また、電極板２５，２５を加熱し電極板２５，２５に付着したＰＭを燃焼除去することにより、センサ電極部２を再生することができる。
【００２４】
この他、ＥＣＵ６には、電極温度センサ８が接続されている。電極温度センサ８は、センサ電極部２に付着したＰＭの温度に相関のあるパラメータとして電極板２５の温度を検出し、検出信号をＥＣＵ６に出力する。
ここで、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度との関係について説明する。電極板２５の熱容量は、この電極板２５に付着するＰＭの熱容量よりも十分に大きい。このため、電極板２５の温度と異なる温度のＰＭが、この電極板２５に付着しても、ＰＭの温度は電極板２５の温度とほぼ等しくなる。したがって以下では、電極板２５の温度と、この電極板２５に付着したＰＭの温度はほぼ等しいものとする。
【００２５】
ＥＣＵ６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など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、ＥＣＵ６は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、集塵用ＤＣ電源３、インピーダンス測定器４、ヒータ用ＤＣ電源５２、及び切換スイッチＳＷなどに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００２６】
図３は、ＰＭセンサ１により排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの始動後、ＥＣＵ６により実行される。
【００２７】
ステップＳ１では、ＰＭセンサの暖機、再生、及び校正を実行する。
ステップＳ２では、電極温度センサにより、センサ電極部の温度Ｔを検出する。
【００２８】
ステップＳ３では、検出したセンサ電極部の温度Ｔが、所定の下限値ＴＭＩＮで設定された安定電極温度範囲内にあるか否かを判別する。すなわち、検出したセンサ電極部の温度Ｔが下限値ＴＭＩＮ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、この判別がＮＯの場合にはステップＳ４に移る。
【００２９】
ここで、センサ電極部の温度に対する安定電極温度範囲について説明する。
一般的に、センサ電極部に付着したＰＭの電気物性は、その温度によって変化する。しかしながら、後に詳述するように、ＰＭの温度が所定の安定ＰＭ温度範囲内にある場合には、ＰＭの電気物性はその温度によらず安定する。
そこで、上述の安定電極温度範囲とは、このような安定ＰＭ温度範囲に対応して設定されたセンサ電極部の温度の範囲を示す。すなわち、安定電極温度範囲とは、センサ電極部にＰＭが付着した場合、この付着したＰＭの電気物性が安定すると考えられるセンサ電極部の温度の範囲を示す。
また、上述のように、センサ電極部に付着したＰＭの温度とセンサ電極部の電極板の温度とはほぼ等しいと考えられるため、これら安定ＰＭ温度範囲と安定電極温度範囲とは同じ温度範囲を示すと考えられる。
本実施形態では、この安定ＰＭ温度範囲、すなわち安定電極温度範囲は、後に図４〜図６を参照して詳述する電気物性把握実験に基づいて、例えば、２００℃以上に設定される。
【００３０】
ステップＳ４では、検出したセンサ電極部の温度Ｔが安定電極温度範囲内にないと判定されたことに応じて、ヒータにより所定の時間ｔに亘ってセンサ電極部を加熱し、ステップＳ２に移る。この加熱時間ｔは、加熱後のセンサ電極部の温度が上述の安定電極温度範囲内に含まれるように設定される。また、これに加えて、この加熱時間ｔは、加熱後のセンサ電極部の温度が安定電極温度範囲内であり、かつ、所定の燃焼開始温度ＴＭＡＸを超えないように設定されることが好ましい。ここで、燃焼開始温度ＴＭＡＸとは、ＰＭの燃焼が開始する温度を示す。
【００３１】
ステップＳ５では、センサ電極部の静電容量を測定し、これを初期静電容量ＣＩとして記録する。
ステップＳ６では、所定の時間に亘りサンプリング処理を実行する。このサンプリング処理では、具体的には、所定の時間に亘ってセンサ電極部に電圧を印加することにより、排気に含まれるＰＭをセンサ電極部に付着させる。
ここで、上述のように、センサ電極部の温度が安定電極温度範囲内にない場合には、センサ電極部を加熱しその温度が安定電極温度範囲内に含まれるようにしておくことにより、この処理においてセンサ電極部に付着したＰＭの温度も安定ＰＭ温度範囲内に含まれるように制御することができる。
【００３２】
ステップＳ７では、センサ電極部の電気的特性としての静電容量変化量ΔＣを測定する。具体的には、このステップＳ７では、センサ電極部の静電容量を測定し、これを集塵後静電容量ＣＦとして記録する。次に、この集塵後静電容量ＣＦから上述の初期静電容量ＣＩを減算したものを算出し、これを静電容量変化量ΔＣ（＝ＣＦ−ＣＩ）として記録する。すなわち、静電容量変化量ΔＣとは、センサ電極部にＰＭを集塵する前と集塵した後のセンサ電極部の静電容量の変化量を示す。
【００３３】
ステップＳ８では、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて、排気のＰＭ濃度を検出する。より具体的には、このステップＳ８では、センサ電極部の静電容量変化量ΔＣと排気管内のＰＭ濃度Ｆとを関係付ける制御マップＦ（ΔＣ）に基づいて、測定した静電容量変化量ΔＣに応じたＰＭ濃度Ｆを算出する。なお、この制御マップＦ（ΔＣ）は、センサ電極部の温度が安定電極温度範囲内に含まれている状態で行われた実験に基づいて作成されたものを用いる。
ステップＳ９では、センサ電極部を再生し、ステップＳ２に移る。
【００３４】
［電気物性把握実験］
次に、センサ電極部に付着したＰＭの電気物性を把握するための実験について説明する。
図４は、実験装置１００の構成を示す図である。
この電気物性把握実験では、電極板１０２，１０２間にＰＭが満たされた実験用センサ電極部１０１を準備し、この実験用センサ電極部１０１及びＰＭを炉１０３内で加熱しながらインピーダンス測定器１０４により実験用センサ電極部１０１のレジスタンス及びリアクタンスを測定した。
【００３５】
図５及び図６は、それぞれ、本実験の測定結果を示す図である。より具体的には、図５は、レジスタンスの温度特性を示し、図６は、リアクタンスの温度特性を示す。なお、これら測定結果の横軸のＰＭ温度は、実験を行う前に予め測定しておいた炉１０３の昇温プロファイルとＰＭの温度との関係に基づいて得られたものを示す。
【００３６】
図５に示すように、レジスタンスは、正の値であるとともにＰＭ温度が上昇するに従い小さくなり漸近的に０に収束する。また、図６に示すように、リアクタンスは、負の値であるとともにＰＭ温度が上昇するに従い漸近的に０に収束する。また、これら図５及び図６に示すように、ＰＭの温度変化に対するレジスタンス及びリアクタンスの変化の割合は、ＰＭの温度が上昇するに従い小さくなる。したがって、ＰＭの電気物性は、その温度が上昇するに従い安定すると言える。そこで、上述の安定電極温度範囲（安定ＰＭ温度範囲）の下限値ＴＭＩＮは、ＰＭの電気物性が安定してきたと判定される温度に設定される。本実験結果によれば、この安定電極温度範囲（安定ＰＭ温度範囲）の下限値ＴＭＩＮを２００℃とする。
【００３７】
［静電容量の温度特性把握実験］
次に、センサ電極部の静電容量の温度特性を把握するための静電容量の温度特性把握実験について説明する。
図７は、実験装置１１０の構成を示す図である。
実験装置１１０は、エンジン１１１と、このエンジン１１１の下流に設けられた正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３と、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３とで切り換える切換弁１１４と、正常ＤＰＦ１１２及び破損ＤＰＦ１１３の下流側に設けられた試験用ＰＭセンサ１１５と、を含んで構成される。
【００３８】
正常ＤＰＦ１１２は、エンジン１１１から排出された排気に含まれるＰＭを捕集するフィルタである。したがって、正常ＤＰＦ１１２の下流側の排気のＰＭ濃度は、ほぼ０である。破損ＤＰＦ１１３は、正常ＤＰＦ１１２を故意に破損したものである。したがって、破損ＤＰＦ１１３の下流側には、所定のＰＭ濃度の排気が流通する。
試験用ＰＭセンサ１１５としては、上述の実施形態と同様のもの、すなわち、センサ電極部にヒータが設けられ、このヒータによりセンサ電極部の温度を制御できるものを準備した。
【００３９】
温度特性把握実験では、以上のように構成された実験装置１１０を用いて、センサ電極部の静電容量に関する３種類の実験（実験１〜実験３）を行った。以下では、図８〜図１０を参照して、これら３種類の実験及びその結果について説明する。
【００４０】
図８は、実験１の結果を示す図である。
実験１では、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を３２０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、センサ電極部に流入する排気の温度を１８０℃に変更し、このときにおけるセンサ電極部の静電容量を測定した。なお、排気の温度が３２０℃のときセンサ電極部の温度は３００℃であり、排気の温度が１８０℃のときセンサ電極部の温度は１５０℃であった。
図８には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図８に示すように、これら３つの条件の下では、センサ電極部の静電容量の測定値は、ほぼ等しいことが確認された。したがって、センサ電極部にＰＭが付着していない状態では、センサ電極部の静電容量は、排気の温度によらず一定であることが検証された。
【００４１】
図９は、実験２の結果を示す図である。
実験２では、切換弁１１４を破損ＤＰＦ１１３側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を破損ＤＰＦ１１３に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を３２０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させた。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を、２８０℃及び１８０℃に段階的に変更し、各温度におけるセンサ電極部の静電容量を測定した。なお、排気の温度が３２０℃のときセンサ電極部の温度は３００℃であり、排気の温度が２８０℃のときセンサ電極部の温度は２５０℃であり、排気の温度が１８０℃のときセンサ電極部の温度は１５０℃であった。
【００４２】
図９には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は３２０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図９に示すように、センサ電極部にＰＭを集塵すると、センサ電極部の静電容量は上昇する。また、排気の温度を３２０℃から２８０℃に変化させた際には、センサ電極部の静電容量に大きな変化は確認されなかった。しかしながら、排気の温度を２８０℃から１８０℃に変化させると、センサ電極部の静電容量は小さくなることが確認された。
【００４３】
図１０は、実験３の結果を示す図である。
実験３では、切換弁１１４を破損ＤＰＦ１１３側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を破損ＤＰＦ１１３に流入させながらセンサ電極部でＰＭを集塵し、ＰＭ集塵前とＰＭ集塵後の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を２８０℃にした。
その後、センサ電極部の再生を行わずに、切換弁１１４を正常ＤＰＦ１１２側にセットし、エンジン１１１から排出された排気を正常ＤＰＦ１１２に流入させながら、センサ電極部の静電容量を測定した。この際、センサ電極部に流入する排気の温度を１８０℃にした。また、特にこの実験３では、センサ電極部の温度が３００℃に保たれるように、ヒータを駆動した。
【００４４】
図１０には、左側から順に、ＰＭ集塵前（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は２８０℃）、ＰＭ集塵後（排気温度は１８０℃）におけるセンサ電極部の静電容量の測定値を示す。図１０に示すように、センサ電極部にＰＭを集塵すると、センサ電極部の静電容量は上昇する。また、上述の図９に示す結果とは異なり、排気の温度を２８０℃から１８０℃に変化させても、センサ電極部の温度を３００℃に保つことにより、センサ電極部の静電容量の測定値もほぼ一定になることが検証された。したがって、上述の実施形態のように、センサ電極部の温度を安定電極温度範囲内に制御した上でセンサ電極部の静電容量を測定することにより、エンジン１１１の運転状態や排気の温度によらず、センサ電極部の静電容量を測定できることが検証された。
【００４５】
本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を、その電気物性が安定する安定電極温度範囲内に制御した上で、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する。これにより、エンジンの運転状態や排気の温度によらず安定してセンサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定することができる。したがって、エンジンの運転状態や排気の温度によらず安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４６】
（２）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度を２００℃以上に制御した上で、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの電気物性をより確実に安定させながら、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定することができる。したがって、より安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４７】
（３）本実施形態によれば、センサ電極部２に付着したＰＭの温度に相関のあるパラメータとして、センサ電極部２の電極板２５の温度を検出し、検出した電極板２５の温度に応じてセンサ電極部２を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度をより確実に安定ＰＭ温度範囲内に制御することができる。したがって、より安定して排気のＰＭ濃度Ｆを検出することができる。
【００４８】
（４）本実施形態によれば、電極温度センサ８により検出された電極板２５の温度Ｔが、安定電極温度範囲内にあるか否かを判定する。さらに、電極板２５の温度Ｔが安定電極温度範囲内にあると判定した場合にはセンサ電極部２を加熱せず、電極板２５の温度Ｔが安定電極温度範囲内にないと判定した場合にはセンサ電極部２を加熱する。これにより、センサ電極部２に付着したＰＭの温度をより確実に安定ＰＭ温度範囲内に制御しながら、センサ電極部２を加熱するための余分な電力の消費を抑制することができる。
【００４９】
（５）本実施形態によれば、センサ電極部２に所定の電圧を印加することでＰＭをセンサ電極部２に付着させた後、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定し、測定した静電容量変化量ΔＣに応じて排気のＰＭの濃度を検出する。すなわち、このＰＭセンサ１では、ＰＭをセンサ電極部２に付着させる工程と、センサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する工程との２つの工程を実行する必要があるため、精度の高い検出が可能である反面、ＰＭ濃度を検出するまでに時間がかかる。このため、２つの工程を実行している間にエンジンの運転状態が変動し、センサ電極部２に付着したＰＭの温度が変動してしまい、結果として検出精度が低下してしまうおそれがある。したがって、上述のようにセンサ電極部２の静電容量変化量ΔＣを測定する前に、このセンサ電極部２に付着したＰＭの温度を安定ＰＭ温度範囲に制御することは、このような検出までに時間がかかるＰＭセンサ１では、特に効果的である。
【００５０】
本実施形態では、電極温度センサ８、温度制御装置５、及びＥＣＵ６が温度制御手段を構成し、ＥＣＵ６が濃度検出手段を構成し、電極温度センサ８、温度制御装置５、及びＥＣＵ６がパラメータ検出手段を構成し、温度制御装置５、及びＥＣＵ６が加熱手段を構成する。より具体的には、図３のステップＳ１〜Ｓ９の実行に係る手段が濃度検出手段を構成し、図３のステップＳ２〜Ｓ４の実行に係る手段が温度制御手段を構成し、図３のステップＳ２の実行に係る手段がパラメータ検出手段を構成し、図３のステップＳ３及びＳ４の実行に係る手段が加熱手段を構成する。
【００５１】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、ステップＳ３においてセンサ温度が所定の下限温度よりも低い場合には、ステップＳ４に移り、所定の時間に亘ってセンサ電極部を加熱したが、これに限るものではない。例えば、センサ温度が下限温度を超えるまで、センサ温度を監視しながらセンサ電極部を加熱してもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、電極板２５の温度を電極温度センサ８で検出したが、これに限らない。センサ電極部２に付着したＰＭに相関のあるパラメータとして、排気の温度を検出してもよい。
【００５３】
また、上記実施形態では、センサ電極部の温度が安定温度範囲内にない場合にのみ、ヒータによりセンサ電極部を加熱し、その温度が安定温度範囲内に含まれるように制御したが、これに限らない。例えば、センサ電極部の温度が、安定温度範囲内に設定された所定の目標温度に常に一致するようにしてもよい。この場合、目標温度は、ＰＭ濃度の測定が終了するまで、センサ電極部の温度が安定温度範囲内に含まれるように設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係るセンサ電極部の構成を示す斜視図である。
【図３】上記実施形態に係るＰＭセンサにより排気のＰＭ濃度を検出する手順を示すフローチャートである。
【図４】上記実施形態に係る電気物性把握実験の実験装置の構成を示す図である。
【図５】上記実験の測定結果であるレジスタンスの温度特性を示す図である。
【図６】上記実験の測定結果であるリアクタンスの温度特性を示す図である。
【図７】上記実施形態に係る温度特性把握実験の実験装置の構成を示す図である。
【図８】上記実験の結果を示す図である。
【図９】上記実験の結果を示す図である。
【図１０】上記実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…ＰＭセンサ（粒子状物質検出装置）
２…センサ電極部（電極部）
２５…電極板
３…集塵用ＤＣ電源
４…インピーダンス測定器
５…温度制御装置（温度制御手段、パラメータ検出手段、加熱手段）
５１…ヒータ
５２…ヒータ用ＤＣ電源
６…ＥＣＵ（温度制御手段、濃度検出手段、パラメータ検出手段、加熱手段）
８…電極温度センサ（温度制御手段、パラメータ検出手段）
ＥＰ…排気管（排気通路）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた電極部を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、
前記電極部に付着した粒子状物質の温度を制御する温度制御手段と、
前記温度制御手段により前記電極部に付着した粒子状物質の温度をその電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段と、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】
前記安定温度範囲は、２００℃以上であ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３】
前記温度制御手段は、
前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータに応じて前記電極部を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、
前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、前記相関に基づいて前記安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定し、
前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には、前記電極部を加熱せず、
前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には、前記電極部を加熱することを特徴とする請求項３に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記濃度検出手段は、前記電極部に所定の電圧を印加することで排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた電極部を有し、排気に含まれる粒子状物質が付着した電極部の電気的特性に基づいて、排気の粒子状物質の濃度を検出する粒子状物質検出装置であって、
前記電極部に付着した粒子状物質の温度を制御する温度制御手段と、
前記温度制御手段により前記電極部に付着した粒子状物質の温度をその電気物性が安定する安定温度範囲内に制御した上で、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出する濃度検出手段と、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】
前記安定温度範囲は、２００℃以上であ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３】
前記温度制御手段は、
前記電極部に付着した粒子状物質の温度に相関のあるパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータに応じて前記電極部を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、
前記パラメータ検出手段により検出されたパラメータが、前記相関に基づいて前記安定温度範囲に対応して設定された安定パラメータ範囲内にあるか否かを判定し、
前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にあると判定した場合には、前記電極部を加熱せず、
前記検出されたパラメータが前記安定パラメータ範囲内にないと判定した場合には、前記電極部を加熱することを特徴とする請求項３に記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記濃度検出手段は、前記電極部に所定の電圧を印加することで排気に含まれる粒子状物質を付着させた後、当該電極部の電気的特性を測定し、測定した電気的特性に応じて排気の粒子状物質の濃度を検出することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の粒子状物質検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１５１５５３（Ｐ２０１０−１５１５５３Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２８８０３（Ｐ２００８−３２８８０３）
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【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２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【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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