(57)【要約】【課題】フィルターによる粒子状物質の堆積量を電磁波を用いて検出する装置において、検出感度を向上させると共に、検出の信頼性、温度安定性を向上させる。【解決手段】粒子状物質検出装置は、粒子状物質を含む気体から粒子状物質を捕集するフィルター、フィルターを収容する容器５、容器５の上流側に設けられ、気体Ａを容器５内へと流す上流側配管３、容器５の下流側に設けられ、フィルターを通過した後の気体Ｂを流す下流側配管４、上流側配管３内に設けられ、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を送信する送信アンテナ１１、下流側配管４内に設けられた電磁波反射部１０、および下流側配管４に取り付けられ、受信アンテナを内蔵する受信部７を備える。送信アンテナ１１から送信した電磁波Ｄ１をフィルターに通過させ、電磁波反射部１０で反射させる。受信アンテナで受信された電磁波Ｄ２の強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の量を検出する。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状物質を含む気体から前記粒子状物質を捕集するフィルター、
このフィルターを収容する容器、
この容器の上流側に設けられ、前記気体を前記容器内へと流す上流側配管、
前記容器の下流側に設けられ、前記フィルターを通過した後の気体を流す下流側配管、
前記上流側配管内に設けられ、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を送信する送信アンテナ、
前記下流側配管内に設けられた電磁波反射部、および
前記下流側配管に取り付けられ、受信アンテナを内蔵する受信部を備えており、
前記送信アンテナから送信した前記電磁波を前記フィルターに通過させ、前記電磁波反射部で反射させ、前記受信アンテナで受信された前記電磁波の強度に基づいて、前記フィルターに捕集された前記粒子状物質の量を検出することを特徴とする、粒子状物質の堆積量検出装置。
【請求項２】
前記電磁波反射部がメッシュからなることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記容器が、前記フィルターを収容する収容部と、この収容部と前記上流側配管とを連結する上流側連結部と、前記収容部と前記下流側配管とを連結する下流側連結部とを備えており、前記上流側連結部の内径が、前記収容部から前記上流側配管へと向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記下流側連結部の内径が、前記収容部から前記下流側配管へと向かって小さくなっていることを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記電磁波の周波数が、周波数ｆｃ（＝ｃ／Ｄｉ）（Ｄｉは前記上流側配管および下流側配管の内径である。ｃは光速である）以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項記載の装置。
【請求項６】
前記粒子状物質がディーゼルパーティキュレート  マターであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質の堆積量検出装置に関するものであり、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置されたフィルターのPM堆積量の検出などに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の有害成分は、PM（パーティキュレート  マター：炭素微粒子からなるスート、高分子量炭化水素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子など）として排出される。最近、環境省が、粒径２．５μｍ以下の微小粒子状物質について環境基準を定めることを検討しており、粒子状物質の規制が厳格となるため、対応が迫られており、開発競争が行われている。
【０００３】
ディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ： DPF）が普及している。
DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を交互に目封じしたものである。すなわち、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、排ガス上流側で目詰めされた流出側セルとを設け、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁の細孔で排ガスを濾過し、粒子状物質を捕集する。
【０００４】
しかし、DPFは、粒子状物質が堆積すると、排ガスの圧力損失が上昇するために内燃機関の出力の低下や燃料消費量を抑えるために、堆積した粒子状物質を除去して再生する必要がある。そこで、排ガス中に燃料などの還元剤を添加し、DPF の上流側に配置された酸化触媒で燃焼させることで排ガスを昇温し、その高温の排ガスを
DPFへ供給する方法などによって、堆積したPMを燃焼させ
DPFを強制再生することが行われている。
【０００５】
ただし、フィルター内の粒子状物質の堆積量が、あるフィルター使用限界値を超えて捕集されている状態においてこの再生制御を行うと、PMの燃焼によってフィルターの局所的な温度や全体の温度が上昇しすぎて、フイルターのクラックや溶損が発生する。これを防止するために、フィルターの圧力損失、吸入空気量、排ガス温度、燃料噴射量、EGR開度、エンジン回転数等を測定してECUにて演算処理を行い、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測を行っている。
【０００６】
一方通常のディーゼルエンジン等の内燃機関では、このフィルター使用限界値に安全率を加味したものを再生制御ポイントとしており、通常
再生制御ポイント（ｇ/L）＝フィルター使用限界値（g/L）×安全係数
ただし安全係数は、０＜安全係数＜1
なので
再生制御ポイント（ｇ/L）<フィルター使用限界値（g/L）
になるように再生制御ポイントを設定している。
【０００７】
この安全係数は、各自動車メーカーで設定がまちまちで、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測技術の完成度やメーカーの安全に関する指針で決定されている。そしてこの安全係数が１に近いほどフィルターの再生頻度が減り、燃費の悪化が減ることになる。そのため、精度よくフィルター内の粒子状物質の堆積量を予測することが求められている。
【０００８】
粒子状物質の堆積量が再生制御ポイントに達したと判定されたときに、排ガス温度を強制的に上昇させてフィルターの再生が行われる。このため、特許文献１（特開昭59-204747）には、排気ガス間路の対向する側壁に、マイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを設置し、その間を流通する黒鉛濃度を測定する方法が記載されている。
【０００９】
また、非特許文献１(ＧＥ発表のAdvanced DPF soot sensor：International CTI Forum 2-4 Dec)には、ＤＰＦ容器の入口と出口にそれぞれＲＦ送信アンテナと受信アンテナを設置し、DPFに堆積したスートを検知する方法が記載されている。
【００１０】
特許文献２（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの外壁の中心部に送信アンテナと受信アンテナとを相対向するように取り付けている。そして、送信アンテナから数十ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの電磁波を送信し、フィルターに通し、反対側に取り付けられた受信アンテナで受信し、電磁波の受信強度に基づいてフィルターへの粒子状物質の堆積量を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭59-204747
【特許文献２】特開２００９−２２７６
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】ＧＥ発表のAdvanced DPF soot sensor：International CTI Forum 2-4 Dec
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、マイクロ波を用いてスートなどの粒子状物質の堆積量を検出しようとすると、スートの主成分であるカーボン粒子の吸収が大きくない。例えば、非特許文献１のGE社製スートセンサでは、平均値処理など演算処理をしてダイナミックレンジが１５ｄB程度となるが、さらに、実際には、DPFの材質や形状や排ガス管形状、粒径サイズ、粒成分という変動パラメータがあり、十分な感度が得られないという問題があった。
【００１４】
さらに、マイクロ波を用いると、ある程度スートが堆積してくると、吸収感度が悪くなり堆積量２−４ｇ／Ｌの範囲でしか使用することができないという問題もある。DPFのスート堆積量限界としては通常５ｇ/Ｌ以上はあるので、この場合には十分な堆積容量がありながら再生処理をするアルゴリズムしか成立できず、燃費向上という観点から不十分であった。
【００１５】
特許文献２（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの容器外壁に送信アンテナと受信アンテナとを相対向するように設置し、ミリ波やテラ波を用いてフィルターを横断するように照射することで、フィルター横断面内にある粒子状物質を透過させてその量を測定する。しかし、この測定方法を実際にＤＰＦフィルターに適用すると、ＤＰＦに堆積したスート全体量を測定する場合には、複数の断面を測定しその和を求める必要があり車載用としては複雑な機構とする必要がある。
【００１６】
本発明の課題は、フィルターにより捕集した粒子状物質の堆積量を電磁波を用いて検出する装置において、検出感度を向上させると共に、検出の信頼性、温度安定性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る粒子状物質の検出装置は、
粒子状物質を含む気体から粒子状物質を捕集するフィルター、
このフィルターを収容する容器、
この容器の上流側に設けられ、気体を容器内へと流す上流側配管、
容器の下流側に設けられ、フィルターを通過した後の気体を流す下流側配管、
上流側配管内に設けられ、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を送信する送信アンテナ、
下流側配管内に設けられた電磁波反射部、および
下流側配管に取り付けられ、受信アンテナを内蔵する受信部を備えており、
送信アンテナから送信した電磁波をフィルターに通過させ、電磁波反射部で反射させ、受信アンテナで受信された電磁波の強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の装置は、粒子状物質を含有する気体を流す配管に粒子状物質の捕集用フィルターと、配管内径よりも大きな内径を持つ容器とを設置したタイプにおいて、配管内に送信アンテナと受信アンテナとを設置している。
【００１９】
本装置は、上流側配管内に送信アンテナを設置し、下流側配管内に受信アンテナを設置している。通常、フィルタが設置される容器は上流側、下流側配管よりも内径が大きく、その結合部はテーパ構造となっているために、送信された電磁波は容器内壁に沿ってある程度広がり、フィルター広範囲に電磁波が効果的に照射されるようになり、フィルター全体の粒子状物質堆積量を正確に検知できるはずである。これと同時に、電磁波が容器内壁に沿って閉じ込められた後で受信アンテナに伝達されるので、効率よく受信アンテナで受信できるはずである。
【００２０】
しかし、実際には、特許文献１、非特許文献１のようにマイクロ波を使用すると、マイクロ波はカットオフとなり、受信側まで伝搬させることができず、従って配管内に送受信アンテナを設置する方法は採用できない。
【００２１】
このため、本発明者は、ミリ波やテラ波、具体的には３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を使用した。これらは配管内でカットオフとならない上、スートに対して高い吸収係数を有することがわかり、堆積量について０ｇ／Ｌ以上、９ｇ／Ｌ以下まで線形性が高く、センサ感度を0.1ｇ／Ｌまで精度よく検知でき、ダイナミックレンジも例えば２〜４ｇ／Ｌの範囲内で２５ｄBとれることがわかった。
【００２２】
しかし、本発明者が更に検討を進めたところ、次の問題点が判明した。すなわち、上流側配管内に送信アンテナを設置し、ミリ波やテラ波を送信すると、配管から容器にわたってある程度広がり、フィルター広範囲にわたって照射される効果が得られた。電磁波の周波数が高くなると直進性が増すが、スートの吸収が大きくなり堆積量を検知できる。しかし、下流側配管内に受信アンテナを設置するとある程度広がったビームを効率よく受信するのが困難であり、また排ガスの温度変化によっても粒子状物質の受信検出感度が変動することがあった。
【００２３】
このため、本発明者は、送信アンテナは上流側配管内に設置して容器内でミリ波、テラ波をある程度広がらせてフィルターの広い範囲に電磁波を照射すると共に、下流側配管の外側に受信部を設け、下流側配管の流路には電磁波反射部を設けることで、電磁波を配管外の受信部内の受信アンテナへと向かって反射し、受信することを想到した。これによって、配管外の温度が低い部分にミリ波、テラヘルツ波のレンズを設置し収束させることが可能であり、受信アンテナに効率よく結合でき、さらに低温部に受信器を設置できることから、検出感度の温度変動を防止し、信頼性、温度安定性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る粒子状物質の堆積量の検出装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る装置のフィルターおよび容器の周辺を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
送信素子は限定されないが、以下のものが好ましい。
（周波数１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ）
ＧａＡｓやＳｉＧｅなどのＭＭＩＣやガンダイオード。
（５０ＧＨｚ〜１ＴＨｚ）
ＬＮ変調器により高次の光側帯波を発生させ所望の次数の側帯波を取り出し、フォトミキサによりそのビート信号を取り出すことにより上記電磁波を発生する光逓倍方式。この場合、ＬＮ変調器はマッハツェンダー型光変調器や位相変調器、またはこれらの集積型変調器が使用可能である。ＬＮ変調器は、特に限定はないが、特開２００７−７９４６６記載の薄板構造を用いることにより半波長電圧を低減でき、低駆動電圧で電磁波を発生できる。
【００２６】
さらに、ドメイン反転構造（QPM：Quasi-Phase-Matching）を形成したＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子やＰＰＬＴ（Periodically
Poled Lithium Tantalate）素子、チェレンコフ放射を利用した光導波路（スラブ構造を含む）素子が使用できる。
（１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）
ドメイン反転構造（QPM：Quasi-Phase-Matching）を形成したＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子やＰＰＬＴ（Periodically
Poled Lithium Tantalate）素子、チェレンコフ放射を利用した光導波路（スラブ構造を含む）素子が使用できる。
【００２７】
受信素子は限定されないが、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＮなどのショットキーダイオード、ボロメータ、焦電効果を利用した素子を例示できる。
【００２８】
粒子状物質とは、気体中に浮遊する性質を持つ物質であればよく、粒径は限定されないが、典型的には１０ｎｍ〜１０μｍである。粒子状物質を構成する物質は特に制限はなく、カーボンを主とするＰＭ（パティキュレート  マター）、ハイドロカーボン（HC）、フェライト粉などの磁性体粉末、硫酸塩、硝酸塩を例示できる。
【００２９】
本発明では、周波数３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨＺ以下の電磁波を使用する。周波数をこの範囲内とすることによって、電磁波が配管および容器内壁面に沿って伝搬および拡散し、フィルター広範囲に効率的に照射される上、捕集された粒子状物質にも効率的に吸収されるので、全体の感度を高くすることができる。この観点からは、電磁波の周波数の下限は、５０ＧＨｚが更に好ましく、上限は、３ＴＨｚ、また０．３ＴＨｚが更に好ましい。また、上記電磁波は、コリメートし平行ビームにすることにより、フィルターの影響を受けにくく、粒子状物質をさらに高感度で検知できる。
【００３０】
フィルターは、粒子状物質を含む気体が流通する容器中に配置されるものである。このフィルターは、本発明で用いる電磁波を透過するもでその透過率が小さいものほどよい。フィルターの形態としては、ハニカム構造体、多孔構造体を例示でき、ハニカム構造体が特に好ましい。また、フィルターの材質は、コージェライト、窒化ケイ素、アルミナ、炭化珪素などのセラミックスが好ましい。
【００３１】
本発明では、送信アンテナは上流側配管内に設けるが、電磁波の送信を行うための素子は配管外に設けられていて良い。
【００３２】
電磁波反射部は、フィルターを透過した後の前記電磁波をフィルターの方へと向かって反射すると共に、下流側配管を流れる気体の流れを停止しないものである必要がある。このような機能を果たす限り、特に限定されないが、以下を例示できる。
（１）金属からなるメッシュ
（２）金属からなる多孔質体
（３）絶縁体または半導体（好ましくはセラミックス）からなるメッシュの表面に金属膜をコートしたもの
（４）フィルターの表面に金属膜をコートしたもの
【００３３】
このような金属としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕが好ましい。また、セラミックスとしては、アルミナ、石英、ガラスが好ましい。
【００３４】
また、電磁波反射部には、気体を通過させる気体流通孔が必要であるが、粒子状物質によって孔が詰まると圧力損失が上昇するという問題がある。このような目詰まりは、粒子状物質を捕集することを目的とするフィルターに比べると深刻ではないが、必要に応じて電磁波反射板に付着した粒子状物質を燃焼させ、除去することが好ましい。
【００３５】
本発明では、下流側配管の外側に受信部を取り付け、この受信部の内側空間に受信アンテナを設置する。下流側配管内を伝搬してきた電磁波は、電磁波反射部で反射され、受信部内へと伝搬し、受信部内の受信アンテナによって受信される。下流側配管の外側に設けられた受信部の内側空間は、下流側配管の流路に比べると、温度変化が小さい上、フィルター通過後の微量の粒子状物質の影響も受けにくいので、信頼性、温度安定性が一層向上する。
【００３６】
配管の内径は限定されないが、通常は１０〜３００ｍｍであることが多い。また、容器の内径（最大値）は、配管内径よりも大きい。したがって、使用する電磁波は、配管内径Ｄｉに対しカットオフ以下の電気長λｃを有する必要があり、電磁波の周波数は周波数ｆｃ以上にする必要がある。
ｆｃ＝ｃ／λｃ＝ｃ／Ｄｉ（ｃは光速である）
【００３７】
また、容器の内径（最大値）は、２０ｍｍ以上であることが好ましく、１０００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
容器は、フィルターを収容する収容部、上流側連結部、下流側連結部を備えていることが好ましい。この場合には、収容部の内径が配管の内径よりも大きい。また、上流側連結部の内径は、収容部から上流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。また、下流側連結部の内径は、収容部から下流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。  
【００３９】
本発明では、受信アンテナで受信した電磁波の強度を検出し、この強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量を演算する。この具体的方法は限定されないが、好ましくは、予め決められた強度と堆積量との関係式に対して、電磁波受信手段で検出された電磁波強度を代入し、粒子状物質の堆積量を演算する。
【００４０】
フィルターそれ自体が電磁波をある程度吸収することから、ブランクとして、粒子状物質が捕集されていない状態で受信強度を測定しておく。そして、粒子状物質が捕集された状態における受信強度との差および電磁波吸収係数から、粒子状物質の堆積量を算出する。
【００４１】
おな、電磁波吸収係数は、電磁波透過率の対数で表され、透過率は、放射出力の入射出力に対する割合である。
【００４２】
本発明では、排ガス浄化装置に、フィルターの上流側で排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段をさらに備えることが好ましい。このとき、排ガス中に還元剤を直接的に供給してよく、気筒内に還元剤をポスト噴射することで排ガス中に還元剤を間接的に供給することもできる。フィルターの温度が還元剤の発火温度より高くなっていれば、還元剤がフィルター内で燃焼し、燃焼熱によってフィルターが例えば 600℃以上の高温となることで、フィルターを再生することができる。還元剤供給手段としては、ポンプ、インジェクタなどがある。フィルターの上流側に酸化触媒を配置したり、フィルターに触媒層を形成することもできる。
【００４３】
還元剤供給手段を用いた場合には、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量の検出値に基づいて還元剤供給手段の駆動を制御する、制御手段を設けることが望ましい。これにより最適なタイミングで還元剤供給手段を駆動できるので、燃費が向上する。
【実施例】
【００４４】
図１に排ガス浄化装置を模式的に示す。ディーゼルエンジン１の排気マニホールドの排出管２が上流側配管３を介して容器５に連結されている。容器５の下流側に下流側配管４が設けられている。図２に示すように、容器５は、フィルターを収容する内径一定の収容部５ｂ、上流側連結部５ａおよび下流側連結部５ｃを備えている。
【００４５】
容器５の収容部５ｂ内にはフィルター１５が収容されている。フィルター１５は、多数の細孔が規則的に形成された多孔質セラミックスのハニカム構造体である。この細孔の一部は排ガス下流側で目詰めされ、流入側セルを形成しており，残りは、排ガス上流側で目詰めされ、流出側セルを形成している。流入側セルと流出側セルとは交互に隣接するように形成されており、これによってハニカム形状のウォールフロー構造をなしている。
【００４６】
上流側配管３の流路３ａには送信アンテナ１１が設置されている。配管３の外壁には送信素子部６が取り付けられており、送信アンテナ１１は素子部６に対して連結されている。また、下流側配管４内の流路４ａには電磁波反射部１０が設置されている。電磁波反射部１０の近傍において、配管４の外側に受信部７を設け、受信部７の内側空間に受信アンテナ１６を設置する。各素子部６、７は、それぞれ、配線１２を介して制御部８に連結されている。
【００４７】
エンジン１からの排ガスは、上流側配管３の流路３ａを矢印Ａのように通過し、容器５内に入り、フィルター１５を通過して矢印Ｂのように下流側配管４の流路４ａ内を流れ、矢印Ｃのように排出される。フィルター１５内には粒子状物質が捕集され、堆積する。
【００４８】
本発明に従い、制御装置８からの信号Ｅにより、上流側配管の流路４ａ内の送信アンテナ１１から電磁波を矢印Ｄ１のように送信する。電磁波は、配管４の内壁面および上流側連結部５ａの内壁面に沿って伝搬し、フィルター１５の全面にわたって照射される。そしてフィルター１５内で、フィルター材質および粒子状物質による吸収減衰を受け、次いで下流側連結部５ｃの内壁面に沿って伝搬し、矢印Ｄ１のように上流側配管３の流路３ａ内を伝搬する。そして、流路４ａ内の電磁波反射部１０で反射され、受信部７の内側空間を矢印Ｄ２のように伝搬し、受信アンテナ１６によって受信される。
【００４９】
この受信信号を矢印Ｆのように制御部８に送信し、制御部８で処理した後、矢印Ｇのように、送信電磁波の情報と受信電磁波の情報とを演算装置９に送信する。演算装置９では、送信電磁波の強度を、受信電磁波の強度と比較すると共に、電磁波強度と堆積量との関係を示す検量線の情報を参照し、堆積量を演算する。
【００５０】
得られた堆積量の演算結果を矢印Ｈのように出力することで利用可能とする。例えば、堆積量がしきい値を超えた時点でフィルター１５を洗浄したり、交換の信号を出すことができる。
【００５１】
本発明によれば、上流側配管内の送信アンテナ１１から送信された電磁波Ｄ１は容器５内壁に沿って広がり、フィルター１５の全体に電磁波が効果的に照射されるようになり、フィルター全体の粒子状物質堆積量を正確に検知できる。これと共に、下流側配管４の外側に受信部７を設け、下流側配管４の流路４ａに電磁波反射部１０を設けることで、電磁波Ｄ２を配管外の受信部７内の受信アンテナ１６へと向かって反射し、受信する。これによって、検出感度の変動を防止し、信頼性、温度安定性が向上する。
【符号の説明】
【００５２】
１  エンジン            ３  上流側配管            ４  下流側配管            ５  容器            ５ａ  上流側連結部            ５ｂ  収容部            ５ｃ  下流側連結部            ６  送信素子部            ７  受信素子部            ８  制御部            ９  演算部            １０  電磁波反射部            １１  送信アンテナ              １５  フィルター            １６  受信アンテナ            Ａ、Ｂ、Ｃ  排ガスの流れ            Ｄ１、Ｄ２  電磁波  
【図１】
2010223169.tif 000003
【図２】
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