ＰＭ量検出システム
【課題】本発明は、内燃機関の排気中に含まれるＰＭ量をより正確に検出することができるＰＭ量検出システムを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係わるＰＭ量検出システムは、上記した課題を解決するために、排気の流れ方向に配列された一対の電極と、それら電極間に介装された固体電解質と、を含む多孔質の構造体を内燃機関の排気通路に配置し、前記電極間に生じる電位差をパラメータとして排気中のＰＭ量を特定するようにした。
【解決手段】本発明に係わるＰＭ量検出システムは、上記した課題を解決するために、排気の流れ方向に配列された一対の電極と、それら電極間に介装された固体電解質と、を含む多孔質の構造体を内燃機関の排気通路に配置し、前記電極間に生じる電位差をパラメータとして排気中のＰＭ量を特定するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を検出する方法としては、酸化触媒と、酸化触媒を加熱するヒータと、酸化触媒の温度を検出する温度センサと、を備えた検出装置を用いる方法が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６１３２２号公報
【特許文献２】特開２００９−０１９５５７号公報
【特許文献３】特開２００８−１１９６１８号公報
【特許文献４】特開２００５−２５６７１７号公報
【特許文献５】特開平１１−２１８５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の技術は、酸化触媒に捕集または堆積されたＰＭが酸化する際に発生する熱量をパラメータとして、酸化触媒に捕集または堆積されたＰＭ量を特定しようとする技術である。
【０００５】
しかしながら、近年の排気浄化技術の進歩により、内燃機関から排出されるＰＭの小径化が進んでいる。特に、上記した検出装置がパティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置される場合は、該パティキュレートフィルタから漏洩するＰＭの粒子径はさらに小さいものとなっている。
【０００６】
よって、酸化触媒が排気中のＰＭを捕集または堆積しきれない可能性がある。そのような場合は、排気中に含まれるＰＭ量と酸化触媒に捕集または堆積されるＰＭ量との相関が低くなるため、ＰＭ量の検出精度が低下する。
【０００７】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気中に含まれるＰＭ量をより正確に検出することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するために、排気の流れ方向に配列された一対の電極と、それら電極間に介装された固体電解質と、を含む多孔質の構造体を内燃機関の排気通路に配置し、前記電極間に生じる電位差をパラメータとして排気中のＰＭ量を特定するようにした。
【０００９】
詳細には、本発明に係わるＰＭ量検出システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた多孔質の第１電極と、
前記第１電極より下流の排気通路に設けられた多孔質の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介装された多孔質の固体電解質と、
前記第１電極と前記第２電極の電位差を測定する測定部と、
前記測定部により測定された電位差をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定する特定
部と、
を備えるようにした。
【００１０】
排気中に含まれるＰＭは、構造体の細孔によって捕集される。その際、排気中のＰＭは、構造体における排気流れ方向の上流側の部位（第１電極およびその周辺の固体電解質）に捕集される。そのため、第１電極の少なくとも一部は、ＰＭによって覆われるようになる。その結果、第１電極と第２電極との間に酸素分圧の差が生じる。上記した酸素分圧の差は、第１電極を覆うＰＭ量が多くなるほど（第１電極のうち、ＰＭによって覆われていない部位が少なくなるほど）大きくなる。
【００１１】
ここで、第１電極と第２電極との間に酸素分圧の差が生じた場合は、酸素分圧の差に応じた分極が生じるため、第１電極と第２電極との間に電位差が発生する。よって、電極間の電位差を測定することにより、構造体に捕集されたＰＭ量を求めることができる。
【００１２】
なお、本発明に係わる構造体は多孔質の固体電解質および電極によって形成されるため、排気中の小径なＰＭも構造体に捕集されることになる。その結果、排気中に含まれるＰＭ量と構造体に捕集されるＰＭ量との相関が強くなる。よって、排気中に含まれるＰＭ量が多くなるほど、構造体に捕集されるＰＭ量が多くなる。言い換えると、排気中に含まれるＰＭ量が多くなるほど、電極間の酸素分圧の差（電位差）が大きくなる。
【００１３】
その際、電極間の電位差と排気中のＰＭ量との関係（たとえば、電位差をＰＭ量に換算する関数式、または電位差の絶対量とＰＭ量の絶対量との関係を示すマップなど）を予め実験などを利用した適合作業によって求めておくことにより、電極間の電位差から排気中のＰＭ量を特定することが可能になる。
【００１４】
従って、本発明に係わるＰＭ量検出システムによれば、排気中に含まれるＰＭの量をより正確に特定することが可能になる。なお、固体電解質は活性温度以上であるときに電解質としての機能が活性する。そのため、内燃機関が冷間始動された直後や排気温度が低くなる運転状態（たとえば、減速運転状態やアイドル運転状態など）が継続された場合は、固体電解質の温度が活性温度より低くなる可能性がある。そこで、本発明に係るＰＭ量検出システムは、固体電解質を活性温度以上に保つ温度調整部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
ところで、構造体のＰＭ捕集量が増加していくと、第１電極の露出部位（ＰＭによって覆われていない部位、または排気と接触可能な部位）が減少し、それに応じて第１電極およびその周辺の酸素分圧が低下していくことになる。しかしながら、ＰＭ捕集量が一定量を超えると、酸素分圧がそれ以上低下しなくなる。その結果、構造体のＰＭ捕集量が一定量（たとえば、第１電極の全域がＰＭによって覆われるときのＰＭ捕集量）を超えた後は、電極間の電位差と構造体のＰＭ捕集量とが相関しなくなる。よって、構造体のＰＭ捕集量を一定量未満に抑える必要がある。
【００１６】
これに対し、本発明のＰＭ量検出システムは、構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したときに、第１電極を昇温させる温度調整部を備えるようにしてもよい。ここでいう上限量は、前記した一定量から所定のマージンを差し引いた量である。なお、上記した一定量は、構造体の形状・大きさ、或いは内燃機関の仕様などによって異なるため、予め実験的に求めておくことが望ましい。
【００１７】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したときに第１電極が昇温させられると、第１電極およびその周辺の固体電解質に捕集されているＰＭが酸化および除去される。その結果、構造体のＰＭ捕集量を前記一定量以下に抑えることができる。
【００１８】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する方法としては、電極間の電位差が上限値に達したか否かを判別する方法を利用することができる。上限値は、ＰＭ捕集量が上限量に達したときの電位差に相当する値である。
【００１９】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する他の方法としては、内燃機関の運転状態（燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲガス量など）をパラメータとして排気中に含まれるＰＭ量を推定し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることもできる。
【００２０】
なお、本発明の構造体がパティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置される構成においては、内燃機関の運転状態とパティキュレートフィルタの状態（前後差圧や温度）とをパラメータとしてパティキュレートフィルタから流出するＰＭ量を推定し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００２１】
一方、構造体の温度（特に、第１電極周辺の温度）が高くなると、単位時間当たりのＰＭ捕集量に対し、単位時間当たりのＰＭ酸化量が過多になる可能性がある。その場合、ＰＭの一部が構造体に捕集されることなく酸化されるため、排気中のＰＭ量と電極間の電位差との相関が弱くなる可能性がある。よって、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回らないように構造体の温度を調整する必要がある。
【００２２】
これに対し、本発明の温度調整部は、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ったとき（または、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ると予測されるとき）に、第１電極の温度を低下させるようにしてもよい。その場合、単位時間当たりのＰＭ酸化量が少なくなるため、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回る事態を回避することができる。
【００２３】
ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する方法としては、電極間の電位差が下限値まで低下したか否かを判別する方法を利用することができる。下限値は、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているときの電位差に所定のマージンを加算した値である。また、下限値は、内燃機関の全運転領域のうちＰＭ排出量が最も少なくなる運転状態におけるＰＭ排出量、またはパティキュレートフィルタから流出するＰＭ量が最も少なくなるときのＰＭ量に所定のマージンを加算した値としてもよい。
【００２４】
ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する他の方法としては、内燃機関の運転状態やパティキュレートフィルタの状態をパラメータとして排気中に含まれるＰＭ量を推定し、その推定値と前記特定部により特定されたＰＭ量（特定値）との差（推定値から特定値を減算した量）が許容値より大きいか否かを判別する方法を用いることもできる。なお、許容値は、前記した推定値に含まれる誤差に所定のマージンを加算した値である。
【００２５】
上記したように電極間の電位差が上限値と下限値との間に収まるように構造体の温度が調整されると、排気中のＰＭ量をリアルタイムに且つ連続して検出することが可能となる。
【００２６】
なお、電極間の電位差の大きさは、第１電極が曝される圧力と第２電極が曝される圧力との差の大きさによって変化する場合がある。そこで、電極間の圧力差によって生じる電位差を特定し、特定された電位差によって測定部の測定値が補正されるようにしてもよい。その際、上記した圧力差の大きさと、圧力差によって生じる電位差の大きさと、の関係は、予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００２７】
このように電極間の圧力差により測定部の測定値が補正されると、排気中のＰＭ量をより正確に求めることが可能となる。
【００２８】
また、電極間の電位差の大きさは、第１電極が曝されるガスの空燃比と第２電極が曝されるガスの空燃比との差の大きさによって変化する場合もある。そこで、上記した空燃比差によって生じる電位差を特定し、特定された電位差によって測定部の測定値が補正されるようにしてもよい。その際、上記した空燃比の差と、空燃比の差によって生じる電位差と、の関係は、予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００２９】
このように電極間の空燃比差により測定部の測定値が補正されると、排気中のＰＭ量をより正確に求めることができる。
【００３０】
なお、電極間の圧力差に基づく補正処理と電極間の空燃比差に基づく補正処理とは、何れか一方のみが実施されてもよく、双方の補正処理が実施されてもよい。双方の補正処理が行われた場合は、ＰＭ量の検出精度をより高めることが可能になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、内燃機関の排気中に含まれるＰＭ量をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施例における測定ユニットの概略構成を示す縦断面図である。
【図３】第１の実施例における測定ユニットの概略構成を示す横断面図である。
【図４】測定ユニットの他の配置例を示す図である。
【図５】第２の実施例における測定ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図６】差圧と電位差オフセット量との関係を規定したマップを模式的に示す図である。
【図７】第３の実施例における測定ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図８】空燃比の比と補正係数との関係を規定したマップを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３４】
＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図４に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【００３５】
図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）または火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１には、排気管２が接続されている。排気管２の途中には、酸化触媒とパティキュレートフィルタを含む排気浄化装置３が配置されている。排気浄化装置３より下流の排気管２内には、排気中に含まれるＰＭ量と相関する物理量を測定する測定ユニット４が配置されている。
【００３６】
ここで、測定ユニット４の構成について、図２，３に基づいて説明する。図２は、排気管２を軸方向と平行に切断したときの断面（縦断面）を示す図である。図３は、排気管２を軸方向と垂直に切断したときの断面（横断面）を示す図である。
【００３７】
測定ユニット４は、円柱状の固体電解質４０と、固体電解質４０の両端面に配置された一対の電極４１，４２と、を含む構造体を備えている。固体電解質４０は、酸素イオン伝導性を有する多孔質の固体電解質であり、多孔質の安定化ジルコニアなどにより形成されている。電極４１，４２は、膜状に形成された多孔質の電気伝導体であり、たとえばポーラス金属により形成されている。
【００３８】
固体電解質４０には、通電によって発熱する発熱体を含むヒータ基板４４が積層されている。ヒータ基板４４は、固体電解質４０および電極４１，４２を含む構造体の全域を加熱可能に配置および構成されてもよく、または一対の電極４１，４２のうち一方の電極４１およびその周辺の固体電解質４０を優先的に加熱することができるように配置および構成されてもよい。
【００３９】
このように構成された構造体は、両端が漏斗状に形成された筒状のダクト４５に嵌挿されている。ダクト４５は、排気管２の内壁面に突設された支柱４００により、排気管２と同軸に支持されている。その際、ダクト４５は、図２に示すように、構造体の一方の電極４１（以下、「第１電極４１」と称する）が排気流れ方向の上流側（図２中の左側）に位置し、他方の電極４２（以下、「第２電極４２」と称する）４２が排気流れ方向の下流側（図２中の右側）に位置するように配置されるものとする。
【００４０】
図２に示すような配置によれば、ダクト４５内に流入した排気は、第１電極４１、固体電解質４０、および第２電極４２を順次通過して流れることになる。そのため、排気中に含まれるＰＭは、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集される。第１電極４１にＰＭが捕集されると、第１電極４１の少なくとも一部がＰＭによって覆われる。その結果、第１電極４１周囲の酸素分圧は、第２電極４２周囲の酸素分圧より低くなる。すなわち、第１電極４１と第２電極４２との間に酸素分圧の差が生じる。
【００４１】
第１電極４１と第２電極４２との間に酸素分圧の差が生じた場合は、酸素分圧の差に応じた分極が生じるため、第１電極４１と第２電極４２との間に電位差が発生する。その際、第１電極４１に捕集または堆積したＰＭ量が多くなるほど、前記した電位差が大きくなる。また、第１電極４１および固体電解質４０は多孔質の材料によって形成されているため、排気中に含まれるＰＭの略すべてを捕集することができる。よって、前記した電位差の大きさは、排気中に含まれるＰＭ量と強い相関を持つことになる。
【００４２】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、第１電極４１および第２電極４２と電気的に接続される電圧計４３と、電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算するＥＣＵ５と、を備えるようにした。ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニットである。なお、ＥＣＵ５は、内燃機関１の運転状態を制御するためのＥＣＵと兼用されてもよく、内燃機関１の運転状態を制御するためのＥＣＵとは別個に設けられてもてもよい。
【００４３】
ＥＣＵ５のＲＯＭには、電圧計４３の測定値とＰＭ量との関係（たとえば、測定値を引数としてＰＭ量を算出する関数式、または測定値の絶対量とＰＭ量の絶対量との関係を規定したマップなど）が記憶されている。電圧計４３の測定値とＰＭ量との関係は、予め実験等を利用した適合作業により求められたものである。ＥＣＵ５は、上記した関数式またはマップを利用することにより、電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算する。このようにＥＣＵ５が電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算することにより、本発明に係わる特定部が実現される。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００４４】
ところで、固体電解質４０は、固有の活性温度を持っている。すなわち、固体電解質４０は、活性温度以上であるときに電解質としての機能（酸素イオン伝導性）が活性する。
よって、固体電解質４０の温度を活性温度以上に保つ必要がある。
【００４５】
そこで、ＥＣＵ５は、固体電解質４０の温度が下限値（活性温度にマージンを加算した温度）まで低下したときに、ヒータ基板４４へ通電（またはヒータ基板４４の通電量を増加）させる。このようにヒータ基板４４が制御されると、固体電解質４０の温度を活性温度以上に保つことができる。
【００４６】
固体電解質４０の温度が下限値まで低下したか否かを判別する方法としては、固体電解質４０の温度を計測する温度センサを取付け、該温度センサの測定値が下限値以下であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００４７】
固体電解質４０の温度が下限値まで低下したか否かを判別する他の方法としては、構造体へ流入する排気の温度または構造体から流出する排気の温度を計測する温度センサを取付け、該温度センサの測定値が下限値以下であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００４８】
なお、固体電解質４０の温度が活性温度より低くなると、第１電極４１と第２電極４２との電位差が略零になる。そのため、ＥＣＵ５は、電圧計４３の測定値が零または零に近い値であることを条件として、固体電解質４０の温度が活性温度未満であると判定することもできる。この方法によれば、新たなに温度センサを設ける必要がないため、車載性の向上や製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００４９】
また、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集または堆積したＰＭの量（以下、「ＰＭ捕集量」と称する）が一定量を超えると、第１電極４１の全域がＰＭによって覆われるようになる。その結果、ＰＭ捕集量が前記した一定量を超えた後は、ＰＭ捕集量がさらに増加しても第１電極４１の電位が殆ど変化しなくなる。すなわち、ＰＭ捕集量が一定量を超えた後は、電圧計４３の測定値とＰＭ捕集量との相関が弱くなる。さらに、ＰＭ捕集量が前記した一定量を超えると、構造体が目詰まりを起こして圧力損失（背圧）の増加を招く可能性もある。よって、ＰＭ捕集量を前記した一定量未満に抑える必要がある。
【００５０】
そこで、ＥＣＵ５は、ＰＭ捕集量が上限量に達したときに、ヒータ基板４４へ通電（またはヒータ基板４４の通電量を増加）させることにより、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集または堆積しているＰＭを酸化および除去するようにした。ここでいう「上限量」は、前記した一定量から所定のマージンを差し引いた量である。このようにヒータ基板４４が制御されると、ＰＭ捕集量を一定量未満に保つことができる。
【００５１】
ＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する方法としては、電圧計４３の測定値が上限値に達したか否かを判別する方法を利用することができる。ここでいう「上限値」は、ＰＭ捕集量が前記した上限量に達した場合における第１電極４１と第２電極４２との電位差に相当する値である。
【００５２】
ＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する他の方法としては、内燃機関１の運転状態（燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲガス量など）やパティキュレートフィルタの状態（前後差圧や温度）をパラメータとして構造体へ流入するＰＭ量を推定演算し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００５３】
なお、ＰＭ捕集量が前記した一定量に達した後は、電圧計４３の測定値が変化しなくなる。そのため、ＥＣＵ５は、電圧計４３の測定値の変化量が予め定められた所定量以下であることを条件として、ＰＭ捕集量が前記した一定量に達したと判定することもできる。
【００５４】
一方、構造体の温度（特に、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０の温度）が高くなると、単位時間当たりのＰＭ捕集量に対し、単位時間当たりのＰＭ酸化量が多くなる可能性がある。言い換えれば、単位時間当たりに構造体へ流入するＰＭ量に対し、単位時間当たりに酸化されるＰＭ量が多くなる可能性がある。その場合、ＰＭの一部が構造体に捕集されることなく酸化されるため、電圧計４３の測定値と排気中のＰＭ量との相関が弱くなる可能性がある。よって、単位時間当たりのＰＭ酸化量を単位時間当たりのＰＭ捕集量より少なく抑える必要がある。
【００５５】
そこで、ＥＣＵ５は、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ったときに、ヒータ基板４４を停止（またはヒータ基板４４の通電量を減少）させることにより、構造体の温度を低下させるようにした。このようにヒータ基板４４が制御されると、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回る事態を回避することができる。
【００５６】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する方法としては、電圧計４３の測定値が下限値まで低下したか否かを判別する方法を利用することができる。ここでいう「下限値」は、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っている場合における第１電極４１と第２電極４２との電位差に所定のマージンを加算した値である。
【００５７】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する他の方法としては、内燃機関１の運転状態やパティキュレートフィルタの状態をパラメータとして構造体へ流入するＰＭ量を推定演算し、その推定値を電圧計４３の測定値から特定されるＰＭ量（特定値）と比較する方法を用いることができる。
【００５８】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ると、特定値は、構造体へ流入するＰＭ量より少なくなる。そのため、構造体へ流入するＰＭ量の推定値と特定値との差が（推定値から特定値を減算した値）が許容値より大きいことを条件に、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っていると判定することができる。
【００５９】
以上述べたようにＥＣＵ５がヒータ基板４４を制御することにより、本発明に係わる温度調整部が実現される。その結果、排気中のＰＭ量をリアルタイムに検出することが可能になる。よって、本実施例のＰＭ量検出システムによれば、排気中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに且つ正確に検出することが可能になる。
【００６０】
なお、本実施例では、電極４１，４２および固体電解質４０を含む構造体がダクト４５内に設けられる構成を例に挙げたが、構造体が直に排気管２内に配置されてもよい。ただし、構造体が直に排気管２に配置されると、排気流量（排気流速）の変動や排気脈動などによって検出精度が低下する可能性もある。
【００６１】
よって、図４に示すように、排気管２の一部を迂回するバイパス管２０を排気管２に取付け、該バイパス管２０内に構造体が配置されるようにしてもよい。このように構造体がバイパス通路内に配置されると、排気管２内の圧力損失を増加させることなくＰＭ量を検出することも可能となる。その際、排気管２内の排気をバイパス管２０内へ引き込むポンプを設け、バイパス管２０内の排気流量を安定させるようにしてもよい。
【００６２】
＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図５乃至図６に基づいて説明する。ここでは、前
述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００６３】
前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、第１電極４１周囲の圧力と第２電極４２周囲の圧力との差に応じて電圧計４３の測定値を補正する点にある。
【００６４】
第１電極４１と第２電極４２との電位差は、第１電極４１が曝される圧力と第２電極４２が曝される圧力との差の大きさによって変化する場合がある。たとえば、第１電極４１周囲の圧力が第２電極４２周囲の圧力より高くなると、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなる。そのため、第１電極４１周囲の圧力が第２電極４２周囲の圧力より高いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より小さくなる。
【００６５】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、上記した圧力差によって生じる電位差のオフセット量（以下、「電位差オフセット量」と称する）を特定し、特定された電位差オフセット量によって電圧計４３の測定値を補正するようにした。
【００６６】
図５は、本実施例における測定ユニット４の構成を示す縦断面図である。図５に示すように、測定ユニット４のダクト４５には、該ダクト４５内における固体電解質４０より上流の圧力と固体電解質４０より下流の圧力との差圧（上流側の圧力から下流側の圧力を差し引いた圧力）ΔＰを測定する差圧センサ４６が取り付けられている。差圧センサ４６の測定値（差圧）ΔＰは、ＥＣＵ５へ入力されるようになっている。なお、差圧センサ４６の代わりに、２つの圧力センサをダクト４５に取付け、それら圧力センサの測定値の差を求めてもよい。
【００６７】
ＥＣＵ５は、差圧センサ４６の測定値（差圧）ΔＰに基づいて電位差オフセット量Δｖを決定し、決定された電位差オフセット量Δｖを電圧計４３の測定値Ｖに加算する（Ｖ＋Δｖ）。
【００６８】
その際、ＥＣＵ５は、図６に示すようなマップを用いて電位差オフセット量Δｖを決定する。図６は、電位差オフセット量Δｖと差圧ΔＰとの関係を規定したマップを模式的に示す図である。図６において、差圧ΔＰが大きいときは小さいときに比べ、電位差オフセット量Δｖが大きくなっている。これは、前述したように差圧ΔＰが大きいときは小さいときに比べ、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなるからである。
【００６９】
このような方法により電圧計４３の測定値Ｖが補正されると、第１電極４１と第２電極４２との間に圧力の差が生じた場合であっても、酸素分圧の差に応じた電位差を正確に求めることができる。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００７０】
＜実施例３＞
次に、本発明の第２の実施例について図７乃至図８に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００７１】
前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、第１電極４１周囲の空燃比と第２電極４２周囲の空燃比との差に応じて電圧計４３の測定値を補正する点にある。
【００７２】
第１電極４１と第２電極４２との電位差は、第１電極４１が曝される雰囲気の空燃比と第２電極４２が曝される雰囲気の空燃比との差の大きさによって変化する場合がある。たとえば、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より高い場合は、第１電
極４１周囲の酸素分圧が高まるため、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなる。そのため、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より高いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より小さくなる。
【００７３】
一方、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より低くい場合は、第１電極４１周囲の酸素分圧が低下するため、第１電極４１と第２電極４２との電位差が大きくなる。そのため、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より低いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より大きくなる。
【００７４】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、上記した空燃比差によって生じる電位差の補正係数を特定し、特定された補正係数により電圧計４３の測定値を補正するようにした。
【００７５】
図７は、本実施例における測定ユニット４の構成を示す縦断面図である。図７に示すように、測定ユニット４のダクト４５には、該ダクト４５内における固体電解質４０より上流の空燃比を計測する第１空燃比センサ４７と、電解質４０より下流の空燃比を計測する第２空燃比センサ４８とが取り付けられている。第１空燃比センサ４７および第２空燃比センサ４８の測定値は、ＥＣＵ５に入力されるようになっている。
【００７６】
ＥＣＵ５は、第２空燃比センサ４８の測定値ａｆ２に対する第１空燃比センサ４７の測定値ａｆ１の比（ａｆ１／ａｆ２）を基づいて補正係数αを決定し、決定された補正係数αを電圧計４３の測定値Ｖに乗算する（Ｖ＊α）。
【００７７】
その際、ＥＣＵ５は、図８に示すようなマップを用いて補正係数αを決定する。図８は、前記した空燃比の比（ａｆ１／ａｆ２）と補正係数αとの関係を規定したマップを模式的に示す図である。図８において、比（ａｆ１／ａｆ２）が大きいときは小さいときに比して、補正係数αが大きくなっている。さらに、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より小さいときは補正係数αも“１”より小さい値に設定され、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より大きいときは補正係数αも“１”より大きな値に設定されている。これは、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より大きいときは第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなり、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より小さいとき第１電極４１と第２電極４２との電位差が大きくなるからである。
【００７８】
このような方法により電圧計４３の測定値Ｖが補正されると、第１電極４１と第２電極４２との間に空燃比の差が生じた場合であっても、酸素分圧の差に応じた電位差を正確に求めることができる。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００７９】
なお、前述した第２の実施例で述べた圧力差に基づく補正と本実施例で述べた空燃比差に基づく補正とは組み合わせて実行されてもよい。その場合、第１電極４１と第２電極４２との間に圧力の差や空燃比の差が生じた場合であっても、排気中のＰＭ量を正確に求めることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１ 内燃機関
２ 排気管
３ 排気浄化装置
４ 測定ユニット
５ ＥＣＵ
２０ バイパス管
４０ 固体電解質
４０ 電解質
４１ 第１電極
４２ 第２電極
４３ 電圧計
４４ ヒータ基板
４５ ダクト
４６ 差圧センサ
４７ 第１空燃比センサ
４８ 第２空燃比センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載された内燃機関の排気通路に設けられ、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を検出する方法としては、酸化触媒と、酸化触媒を加熱するヒータと、酸化触媒の温度を検出する温度センサと、を備えた検出装置を用いる方法が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６１３２２号公報
【特許文献２】特開２００９−０１９５５７号公報
【特許文献３】特開２００８−１１９６１８号公報
【特許文献４】特開２００５−２５６７１７号公報
【特許文献５】特開平１１−２１８５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の技術は、酸化触媒に捕集または堆積されたＰＭが酸化する際に発生する熱量をパラメータとして、酸化触媒に捕集または堆積されたＰＭ量を特定しようとする技術である。
【０００５】
しかしながら、近年の排気浄化技術の進歩により、内燃機関から排出されるＰＭの小径化が進んでいる。特に、上記した検出装置がパティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置される場合は、該パティキュレートフィルタから漏洩するＰＭの粒子径はさらに小さいものとなっている。
【０００６】
よって、酸化触媒が排気中のＰＭを捕集または堆積しきれない可能性がある。そのような場合は、排気中に含まれるＰＭ量と酸化触媒に捕集または堆積されるＰＭ量との相関が低くなるため、ＰＭ量の検出精度が低下する。
【０００７】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気中に含まれるＰＭ量をより正確に検出することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するために、排気の流れ方向に配列された一対の電極と、それら電極間に介装された固体電解質と、を含む多孔質の構造体を内燃機関の排気通路に配置し、前記電極間に生じる電位差をパラメータとして排気中のＰＭ量を特定するようにした。
【０００９】
詳細には、本発明に係わるＰＭ量検出システムは、
内燃機関の排気通路に設けられた多孔質の第１電極と、
前記第１電極より下流の排気通路に設けられた多孔質の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介装された多孔質の固体電解質と、
前記第１電極と前記第２電極の電位差を測定する測定部と、
前記測定部により測定された電位差をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定する特定
部と、
を備えるようにした。
【００１０】
排気中に含まれるＰＭは、構造体の細孔によって捕集される。その際、排気中のＰＭは、構造体における排気流れ方向の上流側の部位（第１電極およびその周辺の固体電解質）に捕集される。そのため、第１電極の少なくとも一部は、ＰＭによって覆われるようになる。その結果、第１電極と第２電極との間に酸素分圧の差が生じる。上記した酸素分圧の差は、第１電極を覆うＰＭ量が多くなるほど（第１電極のうち、ＰＭによって覆われていない部位が少なくなるほど）大きくなる。
【００１１】
ここで、第１電極と第２電極との間に酸素分圧の差が生じた場合は、酸素分圧の差に応じた分極が生じるため、第１電極と第２電極との間に電位差が発生する。よって、電極間の電位差を測定することにより、構造体に捕集されたＰＭ量を求めることができる。
【００１２】
なお、本発明に係わる構造体は多孔質の固体電解質および電極によって形成されるため、排気中の小径なＰＭも構造体に捕集されることになる。その結果、排気中に含まれるＰＭ量と構造体に捕集されるＰＭ量との相関が強くなる。よって、排気中に含まれるＰＭ量が多くなるほど、構造体に捕集されるＰＭ量が多くなる。言い換えると、排気中に含まれるＰＭ量が多くなるほど、電極間の酸素分圧の差（電位差）が大きくなる。
【００１３】
その際、電極間の電位差と排気中のＰＭ量との関係（たとえば、電位差をＰＭ量に換算する関数式、または電位差の絶対量とＰＭ量の絶対量との関係を示すマップなど）を予め実験などを利用した適合作業によって求めておくことにより、電極間の電位差から排気中のＰＭ量を特定することが可能になる。
【００１４】
従って、本発明に係わるＰＭ量検出システムによれば、排気中に含まれるＰＭの量をより正確に特定することが可能になる。なお、固体電解質は活性温度以上であるときに電解質としての機能が活性する。そのため、内燃機関が冷間始動された直後や排気温度が低くなる運転状態（たとえば、減速運転状態やアイドル運転状態など）が継続された場合は、固体電解質の温度が活性温度より低くなる可能性がある。そこで、本発明に係るＰＭ量検出システムは、固体電解質を活性温度以上に保つ温度調整部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
ところで、構造体のＰＭ捕集量が増加していくと、第１電極の露出部位（ＰＭによって覆われていない部位、または排気と接触可能な部位）が減少し、それに応じて第１電極およびその周辺の酸素分圧が低下していくことになる。しかしながら、ＰＭ捕集量が一定量を超えると、酸素分圧がそれ以上低下しなくなる。その結果、構造体のＰＭ捕集量が一定量（たとえば、第１電極の全域がＰＭによって覆われるときのＰＭ捕集量）を超えた後は、電極間の電位差と構造体のＰＭ捕集量とが相関しなくなる。よって、構造体のＰＭ捕集量を一定量未満に抑える必要がある。
【００１６】
これに対し、本発明のＰＭ量検出システムは、構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したときに、第１電極を昇温させる温度調整部を備えるようにしてもよい。ここでいう上限量は、前記した一定量から所定のマージンを差し引いた量である。なお、上記した一定量は、構造体の形状・大きさ、或いは内燃機関の仕様などによって異なるため、予め実験的に求めておくことが望ましい。
【００１７】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したときに第１電極が昇温させられると、第１電極およびその周辺の固体電解質に捕集されているＰＭが酸化および除去される。その結果、構造体のＰＭ捕集量を前記一定量以下に抑えることができる。
【００１８】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する方法としては、電極間の電位差が上限値に達したか否かを判別する方法を利用することができる。上限値は、ＰＭ捕集量が上限量に達したときの電位差に相当する値である。
【００１９】
構造体のＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する他の方法としては、内燃機関の運転状態（燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲガス量など）をパラメータとして排気中に含まれるＰＭ量を推定し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることもできる。
【００２０】
なお、本発明の構造体がパティキュレートフィルタより下流の排気通路に配置される構成においては、内燃機関の運転状態とパティキュレートフィルタの状態（前後差圧や温度）とをパラメータとしてパティキュレートフィルタから流出するＰＭ量を推定し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００２１】
一方、構造体の温度（特に、第１電極周辺の温度）が高くなると、単位時間当たりのＰＭ捕集量に対し、単位時間当たりのＰＭ酸化量が過多になる可能性がある。その場合、ＰＭの一部が構造体に捕集されることなく酸化されるため、排気中のＰＭ量と電極間の電位差との相関が弱くなる可能性がある。よって、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回らないように構造体の温度を調整する必要がある。
【００２２】
これに対し、本発明の温度調整部は、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ったとき（または、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ると予測されるとき）に、第１電極の温度を低下させるようにしてもよい。その場合、単位時間当たりのＰＭ酸化量が少なくなるため、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回る事態を回避することができる。
【００２３】
ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する方法としては、電極間の電位差が下限値まで低下したか否かを判別する方法を利用することができる。下限値は、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているときの電位差に所定のマージンを加算した値である。また、下限値は、内燃機関の全運転領域のうちＰＭ排出量が最も少なくなる運転状態におけるＰＭ排出量、またはパティキュレートフィルタから流出するＰＭ量が最も少なくなるときのＰＭ量に所定のマージンを加算した値としてもよい。
【００２４】
ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する他の方法としては、内燃機関の運転状態やパティキュレートフィルタの状態をパラメータとして排気中に含まれるＰＭ量を推定し、その推定値と前記特定部により特定されたＰＭ量（特定値）との差（推定値から特定値を減算した量）が許容値より大きいか否かを判別する方法を用いることもできる。なお、許容値は、前記した推定値に含まれる誤差に所定のマージンを加算した値である。
【００２５】
上記したように電極間の電位差が上限値と下限値との間に収まるように構造体の温度が調整されると、排気中のＰＭ量をリアルタイムに且つ連続して検出することが可能となる。
【００２６】
なお、電極間の電位差の大きさは、第１電極が曝される圧力と第２電極が曝される圧力との差の大きさによって変化する場合がある。そこで、電極間の圧力差によって生じる電位差を特定し、特定された電位差によって測定部の測定値が補正されるようにしてもよい。その際、上記した圧力差の大きさと、圧力差によって生じる電位差の大きさと、の関係は、予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００２７】
このように電極間の圧力差により測定部の測定値が補正されると、排気中のＰＭ量をより正確に求めることが可能となる。
【００２８】
また、電極間の電位差の大きさは、第１電極が曝されるガスの空燃比と第２電極が曝されるガスの空燃比との差の大きさによって変化する場合もある。そこで、上記した空燃比差によって生じる電位差を特定し、特定された電位差によって測定部の測定値が補正されるようにしてもよい。その際、上記した空燃比の差と、空燃比の差によって生じる電位差と、の関係は、予め実験的に求めておくようにしてもよい。
【００２９】
このように電極間の空燃比差により測定部の測定値が補正されると、排気中のＰＭ量をより正確に求めることができる。
【００３０】
なお、電極間の圧力差に基づく補正処理と電極間の空燃比差に基づく補正処理とは、何れか一方のみが実施されてもよく、双方の補正処理が実施されてもよい。双方の補正処理が行われた場合は、ＰＭ量の検出精度をより高めることが可能になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、内燃機関の排気中に含まれるＰＭ量をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施例における測定ユニットの概略構成を示す縦断面図である。
【図３】第１の実施例における測定ユニットの概略構成を示す横断面図である。
【図４】測定ユニットの他の配置例を示す図である。
【図５】第２の実施例における測定ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図６】差圧と電位差オフセット量との関係を規定したマップを模式的に示す図である。
【図７】第３の実施例における測定ユニットの構成を示す縦断面図である。
【図８】空燃比の比と補正係数との関係を規定したマップを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３４】
＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図４に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。
【００３５】
図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）または火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１には、排気管２が接続されている。排気管２の途中には、酸化触媒とパティキュレートフィルタを含む排気浄化装置３が配置されている。排気浄化装置３より下流の排気管２内には、排気中に含まれるＰＭ量と相関する物理量を測定する測定ユニット４が配置されている。
【００３６】
ここで、測定ユニット４の構成について、図２，３に基づいて説明する。図２は、排気管２を軸方向と平行に切断したときの断面（縦断面）を示す図である。図３は、排気管２を軸方向と垂直に切断したときの断面（横断面）を示す図である。
【００３７】
測定ユニット４は、円柱状の固体電解質４０と、固体電解質４０の両端面に配置された一対の電極４１，４２と、を含む構造体を備えている。固体電解質４０は、酸素イオン伝導性を有する多孔質の固体電解質であり、多孔質の安定化ジルコニアなどにより形成されている。電極４１，４２は、膜状に形成された多孔質の電気伝導体であり、たとえばポーラス金属により形成されている。
【００３８】
固体電解質４０には、通電によって発熱する発熱体を含むヒータ基板４４が積層されている。ヒータ基板４４は、固体電解質４０および電極４１，４２を含む構造体の全域を加熱可能に配置および構成されてもよく、または一対の電極４１，４２のうち一方の電極４１およびその周辺の固体電解質４０を優先的に加熱することができるように配置および構成されてもよい。
【００３９】
このように構成された構造体は、両端が漏斗状に形成された筒状のダクト４５に嵌挿されている。ダクト４５は、排気管２の内壁面に突設された支柱４００により、排気管２と同軸に支持されている。その際、ダクト４５は、図２に示すように、構造体の一方の電極４１（以下、「第１電極４１」と称する）が排気流れ方向の上流側（図２中の左側）に位置し、他方の電極４２（以下、「第２電極４２」と称する）４２が排気流れ方向の下流側（図２中の右側）に位置するように配置されるものとする。
【００４０】
図２に示すような配置によれば、ダクト４５内に流入した排気は、第１電極４１、固体電解質４０、および第２電極４２を順次通過して流れることになる。そのため、排気中に含まれるＰＭは、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集される。第１電極４１にＰＭが捕集されると、第１電極４１の少なくとも一部がＰＭによって覆われる。その結果、第１電極４１周囲の酸素分圧は、第２電極４２周囲の酸素分圧より低くなる。すなわち、第１電極４１と第２電極４２との間に酸素分圧の差が生じる。
【００４１】
第１電極４１と第２電極４２との間に酸素分圧の差が生じた場合は、酸素分圧の差に応じた分極が生じるため、第１電極４１と第２電極４２との間に電位差が発生する。その際、第１電極４１に捕集または堆積したＰＭ量が多くなるほど、前記した電位差が大きくなる。また、第１電極４１および固体電解質４０は多孔質の材料によって形成されているため、排気中に含まれるＰＭの略すべてを捕集することができる。よって、前記した電位差の大きさは、排気中に含まれるＰＭ量と強い相関を持つことになる。
【００４２】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、第１電極４１および第２電極４２と電気的に接続される電圧計４３と、電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算するＥＣＵ５と、を備えるようにした。ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニットである。なお、ＥＣＵ５は、内燃機関１の運転状態を制御するためのＥＣＵと兼用されてもよく、内燃機関１の運転状態を制御するためのＥＣＵとは別個に設けられてもてもよい。
【００４３】
ＥＣＵ５のＲＯＭには、電圧計４３の測定値とＰＭ量との関係（たとえば、測定値を引数としてＰＭ量を算出する関数式、または測定値の絶対量とＰＭ量の絶対量との関係を規定したマップなど）が記憶されている。電圧計４３の測定値とＰＭ量との関係は、予め実験等を利用した適合作業により求められたものである。ＥＣＵ５は、上記した関数式またはマップを利用することにより、電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算する。このようにＥＣＵ５が電圧計４３の測定値をＰＭ量に換算することにより、本発明に係わる特定部が実現される。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００４４】
ところで、固体電解質４０は、固有の活性温度を持っている。すなわち、固体電解質４０は、活性温度以上であるときに電解質としての機能（酸素イオン伝導性）が活性する。
よって、固体電解質４０の温度を活性温度以上に保つ必要がある。
【００４５】
そこで、ＥＣＵ５は、固体電解質４０の温度が下限値（活性温度にマージンを加算した温度）まで低下したときに、ヒータ基板４４へ通電（またはヒータ基板４４の通電量を増加）させる。このようにヒータ基板４４が制御されると、固体電解質４０の温度を活性温度以上に保つことができる。
【００４６】
固体電解質４０の温度が下限値まで低下したか否かを判別する方法としては、固体電解質４０の温度を計測する温度センサを取付け、該温度センサの測定値が下限値以下であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００４７】
固体電解質４０の温度が下限値まで低下したか否かを判別する他の方法としては、構造体へ流入する排気の温度または構造体から流出する排気の温度を計測する温度センサを取付け、該温度センサの測定値が下限値以下であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００４８】
なお、固体電解質４０の温度が活性温度より低くなると、第１電極４１と第２電極４２との電位差が略零になる。そのため、ＥＣＵ５は、電圧計４３の測定値が零または零に近い値であることを条件として、固体電解質４０の温度が活性温度未満であると判定することもできる。この方法によれば、新たなに温度センサを設ける必要がないため、車載性の向上や製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００４９】
また、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集または堆積したＰＭの量（以下、「ＰＭ捕集量」と称する）が一定量を超えると、第１電極４１の全域がＰＭによって覆われるようになる。その結果、ＰＭ捕集量が前記した一定量を超えた後は、ＰＭ捕集量がさらに増加しても第１電極４１の電位が殆ど変化しなくなる。すなわち、ＰＭ捕集量が一定量を超えた後は、電圧計４３の測定値とＰＭ捕集量との相関が弱くなる。さらに、ＰＭ捕集量が前記した一定量を超えると、構造体が目詰まりを起こして圧力損失（背圧）の増加を招く可能性もある。よって、ＰＭ捕集量を前記した一定量未満に抑える必要がある。
【００５０】
そこで、ＥＣＵ５は、ＰＭ捕集量が上限量に達したときに、ヒータ基板４４へ通電（またはヒータ基板４４の通電量を増加）させることにより、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０に捕集または堆積しているＰＭを酸化および除去するようにした。ここでいう「上限量」は、前記した一定量から所定のマージンを差し引いた量である。このようにヒータ基板４４が制御されると、ＰＭ捕集量を一定量未満に保つことができる。
【００５１】
ＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する方法としては、電圧計４３の測定値が上限値に達したか否かを判別する方法を利用することができる。ここでいう「上限値」は、ＰＭ捕集量が前記した上限量に達した場合における第１電極４１と第２電極４２との電位差に相当する値である。
【００５２】
ＰＭ捕集量が上限量に達したか否かを判別する他の方法としては、内燃機関１の運転状態（燃料噴射量、吸入空気量、ＥＧＲガス量など）やパティキュレートフィルタの状態（前後差圧や温度）をパラメータとして構造体へ流入するＰＭ量を推定演算し、その推定値が上限量以上であるか否かを判別する方法を用いることができる。
【００５３】
なお、ＰＭ捕集量が前記した一定量に達した後は、電圧計４３の測定値が変化しなくなる。そのため、ＥＣＵ５は、電圧計４３の測定値の変化量が予め定められた所定量以下であることを条件として、ＰＭ捕集量が前記した一定量に達したと判定することもできる。
【００５４】
一方、構造体の温度（特に、第１電極４１およびその周辺の固体電解質４０の温度）が高くなると、単位時間当たりのＰＭ捕集量に対し、単位時間当たりのＰＭ酸化量が多くなる可能性がある。言い換えれば、単位時間当たりに構造体へ流入するＰＭ量に対し、単位時間当たりに酸化されるＰＭ量が多くなる可能性がある。その場合、ＰＭの一部が構造体に捕集されることなく酸化されるため、電圧計４３の測定値と排気中のＰＭ量との相関が弱くなる可能性がある。よって、単位時間当たりのＰＭ酸化量を単位時間当たりのＰＭ捕集量より少なく抑える必要がある。
【００５５】
そこで、ＥＣＵ５は、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ったときに、ヒータ基板４４を停止（またはヒータ基板４４の通電量を減少）させることにより、構造体の温度を低下させるようにした。このようにヒータ基板４４が制御されると、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回る事態を回避することができる。
【００５６】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する方法としては、電圧計４３の測定値が下限値まで低下したか否かを判別する方法を利用することができる。ここでいう「下限値」は、ＰＭ酸化量がＰＭ捕集量を上回っている場合における第１電極４１と第２電極４２との電位差に所定のマージンを加算した値である。
【００５７】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っているか否かを判別する他の方法としては、内燃機関１の運転状態やパティキュレートフィルタの状態をパラメータとして構造体へ流入するＰＭ量を推定演算し、その推定値を電圧計４３の測定値から特定されるＰＭ量（特定値）と比較する方法を用いることができる。
【００５８】
単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回ると、特定値は、構造体へ流入するＰＭ量より少なくなる。そのため、構造体へ流入するＰＭ量の推定値と特定値との差が（推定値から特定値を減算した値）が許容値より大きいことを条件に、単位時間当たりのＰＭ酸化量が単位時間当たりのＰＭ捕集量を上回っていると判定することができる。
【００５９】
以上述べたようにＥＣＵ５がヒータ基板４４を制御することにより、本発明に係わる温度調整部が実現される。その結果、排気中のＰＭ量をリアルタイムに検出することが可能になる。よって、本実施例のＰＭ量検出システムによれば、排気中に含まれるＰＭ量をリアルタイムに且つ正確に検出することが可能になる。
【００６０】
なお、本実施例では、電極４１，４２および固体電解質４０を含む構造体がダクト４５内に設けられる構成を例に挙げたが、構造体が直に排気管２内に配置されてもよい。ただし、構造体が直に排気管２に配置されると、排気流量（排気流速）の変動や排気脈動などによって検出精度が低下する可能性もある。
【００６１】
よって、図４に示すように、排気管２の一部を迂回するバイパス管２０を排気管２に取付け、該バイパス管２０内に構造体が配置されるようにしてもよい。このように構造体がバイパス通路内に配置されると、排気管２内の圧力損失を増加させることなくＰＭ量を検出することも可能となる。その際、排気管２内の排気をバイパス管２０内へ引き込むポンプを設け、バイパス管２０内の排気流量を安定させるようにしてもよい。
【００６２】
＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図５乃至図６に基づいて説明する。ここでは、前
述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００６３】
前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、第１電極４１周囲の圧力と第２電極４２周囲の圧力との差に応じて電圧計４３の測定値を補正する点にある。
【００６４】
第１電極４１と第２電極４２との電位差は、第１電極４１が曝される圧力と第２電極４２が曝される圧力との差の大きさによって変化する場合がある。たとえば、第１電極４１周囲の圧力が第２電極４２周囲の圧力より高くなると、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなる。そのため、第１電極４１周囲の圧力が第２電極４２周囲の圧力より高いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より小さくなる。
【００６５】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、上記した圧力差によって生じる電位差のオフセット量（以下、「電位差オフセット量」と称する）を特定し、特定された電位差オフセット量によって電圧計４３の測定値を補正するようにした。
【００６６】
図５は、本実施例における測定ユニット４の構成を示す縦断面図である。図５に示すように、測定ユニット４のダクト４５には、該ダクト４５内における固体電解質４０より上流の圧力と固体電解質４０より下流の圧力との差圧（上流側の圧力から下流側の圧力を差し引いた圧力）ΔＰを測定する差圧センサ４６が取り付けられている。差圧センサ４６の測定値（差圧）ΔＰは、ＥＣＵ５へ入力されるようになっている。なお、差圧センサ４６の代わりに、２つの圧力センサをダクト４５に取付け、それら圧力センサの測定値の差を求めてもよい。
【００６７】
ＥＣＵ５は、差圧センサ４６の測定値（差圧）ΔＰに基づいて電位差オフセット量Δｖを決定し、決定された電位差オフセット量Δｖを電圧計４３の測定値Ｖに加算する（Ｖ＋Δｖ）。
【００６８】
その際、ＥＣＵ５は、図６に示すようなマップを用いて電位差オフセット量Δｖを決定する。図６は、電位差オフセット量Δｖと差圧ΔＰとの関係を規定したマップを模式的に示す図である。図６において、差圧ΔＰが大きいときは小さいときに比べ、電位差オフセット量Δｖが大きくなっている。これは、前述したように差圧ΔＰが大きいときは小さいときに比べ、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなるからである。
【００６９】
このような方法により電圧計４３の測定値Ｖが補正されると、第１電極４１と第２電極４２との間に圧力の差が生じた場合であっても、酸素分圧の差に応じた電位差を正確に求めることができる。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００７０】
＜実施例３＞
次に、本発明の第２の実施例について図７乃至図８に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００７１】
前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、第１電極４１周囲の空燃比と第２電極４２周囲の空燃比との差に応じて電圧計４３の測定値を補正する点にある。
【００７２】
第１電極４１と第２電極４２との電位差は、第１電極４１が曝される雰囲気の空燃比と第２電極４２が曝される雰囲気の空燃比との差の大きさによって変化する場合がある。たとえば、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より高い場合は、第１電
極４１周囲の酸素分圧が高まるため、第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなる。そのため、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より高いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より小さくなる。
【００７３】
一方、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より低くい場合は、第１電極４１周囲の酸素分圧が低下するため、第１電極４１と第２電極４２との電位差が大きくなる。そのため、第１電極４１周囲の空燃比が第２電極４２周囲の空燃比より低いときは、電圧計４３の測定値が実際の酸素分圧の差に対応した電位差より大きくなる。
【００７４】
そこで、本実施例のＰＭ量検出システムは、上記した空燃比差によって生じる電位差の補正係数を特定し、特定された補正係数により電圧計４３の測定値を補正するようにした。
【００７５】
図７は、本実施例における測定ユニット４の構成を示す縦断面図である。図７に示すように、測定ユニット４のダクト４５には、該ダクト４５内における固体電解質４０より上流の空燃比を計測する第１空燃比センサ４７と、電解質４０より下流の空燃比を計測する第２空燃比センサ４８とが取り付けられている。第１空燃比センサ４７および第２空燃比センサ４８の測定値は、ＥＣＵ５に入力されるようになっている。
【００７６】
ＥＣＵ５は、第２空燃比センサ４８の測定値ａｆ２に対する第１空燃比センサ４７の測定値ａｆ１の比（ａｆ１／ａｆ２）を基づいて補正係数αを決定し、決定された補正係数αを電圧計４３の測定値Ｖに乗算する（Ｖ＊α）。
【００７７】
その際、ＥＣＵ５は、図８に示すようなマップを用いて補正係数αを決定する。図８は、前記した空燃比の比（ａｆ１／ａｆ２）と補正係数αとの関係を規定したマップを模式的に示す図である。図８において、比（ａｆ１／ａｆ２）が大きいときは小さいときに比して、補正係数αが大きくなっている。さらに、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より小さいときは補正係数αも“１”より小さい値に設定され、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より大きいときは補正係数αも“１”より大きな値に設定されている。これは、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より大きいときは第１電極４１と第２電極４２との電位差が小さくなり、比（ａｆ１／ａｆ２）が“１”より小さいとき第１電極４１と第２電極４２との電位差が大きくなるからである。
【００７８】
このような方法により電圧計４３の測定値Ｖが補正されると、第１電極４１と第２電極４２との間に空燃比の差が生じた場合であっても、酸素分圧の差に応じた電位差を正確に求めることができる。その結果、排気中のＰＭ量を正確に求めることが可能となる。
【００７９】
なお、前述した第２の実施例で述べた圧力差に基づく補正と本実施例で述べた空燃比差に基づく補正とは組み合わせて実行されてもよい。その場合、第１電極４１と第２電極４２との間に圧力の差や空燃比の差が生じた場合であっても、排気中のＰＭ量を正確に求めることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１ 内燃機関
２ 排気管
３ 排気浄化装置
４ 測定ユニット
５ ＥＣＵ
２０ バイパス管
４０ 固体電解質
４０ 電解質
４１ 第１電極
４２ 第２電極
４３ 電圧計
４４ ヒータ基板
４５ ダクト
４６ 差圧センサ
４７ 第１空燃比センサ
４８ 第２空燃比センサ
【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多孔質の第１電極と、
前記第１電極より下流の排気通路に設けられた多孔質の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介装された多孔質の固体電解質と、
前記第１電極と前記第２電極の電位差を測定する測定部と、
前記測定部により測定された電位差をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定する特定部と、
を備えるＰＭ量検出システム。
【請求項２】
請求項１において、前記第１電極の温度を調整する温度調整部をさらに備え、
前記温度調整部は、前記測定部により測定された電位差が予め定められた上限値に達したときに前記第１電極の温度を上昇させ、前記測定部により測定された電位差が予め定められた下限値に低下したときに前記第１電極の温度を低下させるＰＭ量検出システム。
【請求項３】
請求項１において、前記第１電極の温度を調整する温度調整部と、
内燃機関の運転状態をパラメータにして排気中に含まれるＰＭ量を推定する推定部と、をさらに備え、
前記温度調整部は、前記推定部の推定値が予め定められた上限値に達したときに前記第１電極の温度を上昇させ、前記推定部の推定値に比して前記特定部の特定値が少なく且つ前記推定値と前記特定値の差が許容値を超えたときに前記第１電極の温度を低下させるＰＭ量検出システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項において、前記特定部は、前記第１電極と前記第２電極の圧力差により前記測定部の測定結果を補正し、補正後の値をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定するＰＭ量検出システム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項において、前記第１電極と前記第２電極の空燃比の差により前記測定部の測定結果を補正し、補正後の値をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定するＰＭ量検出システム。
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた多孔質の第１電極と、
前記第１電極より下流の排気通路に設けられた多孔質の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介装された多孔質の固体電解質と、
前記第１電極と前記第２電極の電位差を測定する測定部と、
前記測定部により測定された電位差をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定する特定部と、
を備えるＰＭ量検出システム。
【請求項２】
請求項１において、前記第１電極の温度を調整する温度調整部をさらに備え、
前記温度調整部は、前記測定部により測定された電位差が予め定められた上限値に達したときに前記第１電極の温度を上昇させ、前記測定部により測定された電位差が予め定められた下限値に低下したときに前記第１電極の温度を低下させるＰＭ量検出システム。
【請求項３】
請求項１において、前記第１電極の温度を調整する温度調整部と、
内燃機関の運転状態をパラメータにして排気中に含まれるＰＭ量を推定する推定部と、をさらに備え、
前記温度調整部は、前記推定部の推定値が予め定められた上限値に達したときに前記第１電極の温度を上昇させ、前記推定部の推定値に比して前記特定部の特定値が少なく且つ前記推定値と前記特定値の差が許容値を超えたときに前記第１電極の温度を低下させるＰＭ量検出システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項において、前記特定部は、前記第１電極と前記第２電極の圧力差により前記測定部の測定結果を補正し、補正後の値をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定するＰＭ量検出システム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項において、前記第１電極と前記第２電極の空燃比の差により前記測定部の測定結果を補正し、補正後の値をパラメータにして排気中のＰＭ量を特定するＰＭ量検出システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５６８１１（Ｐ２０１１−２５６８１１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３３０４８（Ｐ２０１０−１３３０４８）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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