(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の粒子状物質を検出するためのＰＭセンサーであって、
車両の排気通路に配置され、前記粒子状物質を付着させるＰＭ付着用抵抗線と、前記ＰＭ付着用抵抗線と同じ抵抗値であり、かつ、前記ＰＭ付着用抵抗線と同様の温度特性を有する温度補償用抵抗線と、前記ＰＭ付着用抵抗線と前記温度補償用抵抗線の抵抗値の変化を検出して、前記粒子状物質の付着の有無を検出する検出部と、前記ＰＭ付着用抵抗線に付着した粒子状物質を燃焼させる電気ヒーターとを備え、
前記電気ヒーターは、電熱線と、該電熱線の周囲を覆う絶縁体と、を備え、前記絶縁体が前記排気通路内に配置され、
前記ＰＭ付着用抵抗線は、前記絶縁体の外周に設けられ、
前記温度補償用抵抗線は、前記絶縁体中に配置され、前記ＰＭ付着用抵抗線に沿うように配置されている
ことを特徴とするＰＭセンサー。
【請求項２】
前記温度補償用抵抗線を、前記ＰＭ付着用抵抗線と直列に接続し、
前記検出部は、直列に接続した前記ＰＭ付着用抵抗線と前記温度補償用抵抗線全体に直流電圧を印加し、前記ＰＭ付着用抵抗線と前記温度補償用抵抗線の接続点における電圧を計測することで、前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値の変化を検出する請求項１記載のＰＭセンサー。
【請求項３】
請求項１または２記載のＰＭセンサーと、
エンジンの前記排気通路に備えられ、排気ガス中の前記粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルターと、を備え、
前記ＰＭ付着用抵抗線は、前記ディーゼルパティキュレートフィルターの下流側の前記排気通路に配置され、
前記検出部は、前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値の変化を検出することで、前記ディーゼルパティキュレートフィルターの破損を検出する
ことを特徴とする排気システム。
【請求項４】
前記ＰＭセンサーは、エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中の一定時間ごとに前記電気ヒーターに通電して、前記ＰＭ付着用抵抗線に付着した前記粒子状物質を燃焼させる再生部をさらに備える
請求項３記載の排気システム。
【請求項５】
前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値は、前記エンジンから排出され前記ＰＭ付着用抵抗線に付着した前記粒子状物質の抵抗値と等しい抵抗値に設定される請求項３または４記載の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）の破損を検出するためのＰＭセンサー及び排気システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、車両では、排気ガスの後処理として、排気ガス中の煤などの粒子状物質（Particulate Matter；以下、ＰＭという）を除去するディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）が使用されている。使用過程においてＤＰＦが破損、損傷するなどしてその機能が失われた場合、大気中にＰＭが放出されることになる。
【０００３】
米国カリフォルニア州で２００３年に法規化されたＯＢＤ（On Board Diagnosis）では、ＤＰＦが破損しＰＭが大気中に放出された場合、それを検出してＭＩＬ（Malfunction Indicator Lamp；故障表示ランプ）を点灯させることが義務づけられており、これに伴い、ＤＰＦの破損を検出するためのＰＭセンサーの開発が進められている。
【０００４】
図４に示すように、ＰＭセンサー４１は、エンジンＥの排気通路４２に設けられたＤＰＦ４３の下流側に設けられる。
【０００５】
従来のＰＭセンサー４１では、上流側に配置された一方の電極を用いて高電圧（例えば、２０００〜７０００Ｖ）でＰＭ（煤）４４をイオン化させ、下流側に配置された他方の電極でイオン電流を計測する（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ＤＰＦ４３が破損すると、ＤＰＦ４３の下流側の排気通路にＰＭ４４が流出し、ＰＭセンサー４１にてイオン電流が検出される。つまり、ＰＭセンサー４１を用いてＤＰＦ４３の下流側でＰＭ４４を検出することで、ＤＰＦ４３の破損を検出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１５３７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のＰＭセンサーは、もともと工場等のばい煙検出に使用されていたものであり、これをそのまま車両に適用すると様々な問題が発生する。
【０００９】
例えば、車両に搭載する場合、ＰＭセンサーは小型であることが要求されるが、従来のＰＭセンサーでは２０００〜７０００Ｖという高電圧を使用するため、非常に装置が大掛かりとなってしまう。また、装置が大掛かりとなってしまうため、コストが高く、重量も重くなってしまい好ましくない。
【００１０】
さらに、従来のＰＭセンサーでは、高電圧を使用するため、安全性および絶縁の問題がある。さらにまた、従来のＰＭセンサーでは、高電圧の使用によるラジオノイズ等が発生してしまうおそれがあり、車両用としては不向きであると考えられる。
【００１１】
そこで、本発明者は、ＤＰＦの下流側の排気通路にＰＭを付着させる抵抗体を配置し、その抵抗体の抵抗値の変化を検出することで、ＰＭの付着の有無を検出可能としたＰＭセンサーを提案している。
【００１２】
このＰＭセンサーでは、抵抗体が通電時に発熱して抵抗体に付着したＰＭを燃焼させるように構成されており、エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中の一定時間ごとに抵抗体に通電して、抵抗体に付着したＰＭを燃焼させるようにされている。これは、ＤＰＦがＰＭを１００％捕獲しないので、ＤＰＦが正常であっても、長時間運転を行うと、抵抗体にＰＭが付着してしまい、実際にはＤＰＦが破損していないにもかかわらず、ＤＰＦが破損していると誤って検出してしまうおそれがあるためである。
【００１３】
本発明者が提案しているＰＭセンサーは、シンプルな構造で小型かつ低コストであり、従来のＰＭセンサーと比較して非常にメリットが大きい。しかし、このＰＭセンサーでは以下のような問題があり、さらなる改良が望まれていた。
【００１４】
このＰＭセンサーでは、上述のように、ＰＭを燃焼させる必要があるため、抵抗体に所謂電気ヒーターの電熱線として使用可能なものを用いる必要がある。しかし、電熱線として使用可能な抵抗体は、一般に、常温から通常の排気ガス温度付近では抵抗値が比較的低い（例えば、数Ω程度）。
【００１５】
他方、抵抗体に付着するＰＭは、主にカーボンからなり導電性を有するが、非常に軽く微小であるために、抵抗体に付着する際に抵抗体にしっかりと密に接しない場合が多い。そのため、抵抗体に付着するＰＭは、導電性ではあるものの、実際には抵抗値が比較的高くなる（例えば、数ｋΩ程度）。
【００１６】
したがって、比較的抵抗値が低い抵抗体に、比較的抵抗値が高いＰＭが付着しても、その合成抵抗の変化率は極めて低くなってしまう。その結果、検出部にて微小な抵抗の変化を検出する必要が生じ、ＰＭの検出精度を高くするためには、検出部における検出回路や誤判定防止のための判定ソフトが複雑化してしまうといった問題が生じる。
【００１７】
なお、抵抗体として抵抗値が比較的高いものを選定することも考えられるが、抵抗値が高く電熱線としても使用可能な材質は入手困難であり、入手できたとしても非常にコストが高くなる。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低コストで、ＰＭの検出精度が高いＰＭセンサー及び排気システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、排気ガス中の粒子状物質を検出するためのＰＭセンサーであって、車両の排気通路に配置され、前記粒子状物質を付着させるＰＭ付着用抵抗線と、該ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値の変化を検出して、前記粒子状物質の付着の有無を検出する検出部と、前記ＰＭ付着用抵抗線に付着した粒子状物質を燃焼させる電気ヒーターとを備え、前記ＰＭ付着用抵抗線を、前記電気ヒーターの電熱線の周囲を覆う絶縁体の外周に設けたＰＭセンサーである。
【００２０】
前記ＰＭ付着用抵抗線と同じ抵抗値であり、かつ、前記ＰＭ付着用抵抗線と同様の温度特性を有する温度補償用抵抗線をさらに備え、該温度補償用抵抗線を、前記ＰＭ付着用抵抗線の近傍に前記粒子状物質が付着しないように配置すると共に、前記ＰＭ付着用抵抗線と直列に接続し、前記検出部は、直列に接続した前記ＰＭ付着用抵抗線と前記温度補償用抵抗線全体に直流電圧を印加し、前記ＰＭ付着用抵抗線と前記温度補償用抵抗線の接続点における電圧を計測することで、前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値の変化を検出してもよい。
【００２１】
前記温度補償用抵抗線は、前記電気ヒーターの前記絶縁体中に配置されてもよい。
【００２２】
前記ＰＭ付着用抵抗線は、排気ガス中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）の下流側の前記排気通路に配置され、前記検出部は、前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値の変化を検出することで、前記ディーゼルパティキュレートフィルターの破損を検出してもよい。
【００２３】
エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中の一定時間ごとに前記電気ヒーターに通電して、前記ＰＭ付着用抵抗線に付着した前記粒子状物質を燃焼させる再生部をさらに備えてもよい。
【００２４】
前記ＰＭ付着用抵抗線の抵抗値は、前記粒子状物質の抵抗値とほぼ等しい抵抗値であるとよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、低コストで、ＰＭの検出精度が高いＰＭセンサー及び排気システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は、本実施の形態に係るＰＭセンサーの概略断面図であり、図１（ｂ）は、そのＰＭセンサーを排気通路に配置したときの正面図である。
【図２】図１のＰＭセンサーの回路図である。
【図３】本発明において、ＤＰＦが破損したときに抵抗値が低下することを示すグラフ図である。
【図４】従来のＰＭセンサーを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２８】
図１（ａ）は、本実施の形態に係るＰＭセンサーの概略断面図であり、図１（ｂ）は、そのＰＭセンサーを排気通路に配置したときの正面図である。
【００２９】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、ＰＭセンサー１は、排気ガス中のＰＭ（煤）を付着させるＰＭ付着用抵抗線２と、そのＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値の変化を検出して、ＰＭの付着の有無を検出する検出部３と、ＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させる電気ヒーター４とを備えている。
【００３０】
電気ヒーター４は、電流を流すと発熱する電熱線５と、その電熱線５の周囲を覆う絶縁体６と、電熱線５の基端部（図１（ａ）では下側）に設けられ、電気ヒーター４を排気通路１１に取り付けるためのネジ部（スレッド）７ａを有する取付用台座７とを備えている。
【００３１】
絶縁体６としては、高温（例えば７００度以上）に耐えるセラミックスなどの絶縁材料を用いるとよい。取付用台座７のネジ部７ａと反対側には、複数本の端子７ｂが露出されており、信号線（ハーネス）８を接続するためのコネクタ部７ｃとなっている。信号線８は、車両に搭載されたＥＣＭ（エンジン・コントロール・モジュール）９に電気的に接続される。
【００３２】
電気ヒーター４を排気通路１１に取り付ける際には、排気通路１１にボス部１２を形成しておき、該ボス部１２に取付用台座７のネジ部７ａを螺合して取り付けるようにすればよい。
【００３３】
ＰＭ付着用抵抗線２としては、ＰＭが付着した際の抵抗値の変化が大きくなるように、付着するＰＭとほぼ同じ抵抗値（例えば、数ｋΩ程度）のものを用いことが望ましい。ＰＭ付着用抵抗線２は、絶縁体６の外周に螺旋状に巻き付けられて配置される。
【００３４】
ＰＭ付着用抵抗線２として用いる抵抗線は、一般に、温度特性を有しており、温度が高くなると抵抗値も高くなるという性質を有している。そのため、ＰＭ付着用抵抗線２の温度特性を補償しなければ、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着したか否かを精度よく判定することはできない。
【００３５】
本実施の形態に係るＰＭセンサー１では、ＰＭ付着用抵抗線２の温度特性を補償するため、ＰＭ付着用抵抗線２と同じ抵抗値であり、かつ、ＰＭ付着用抵抗線２と同様の温度特性を有する温度補償用抵抗線１０をさらに備えている。本実施の形態では、温度補償用抵抗線１０として、ＰＭ付着用抵抗線２と同じ抵抗線を用いることとした。
【００３６】
温度補償用抵抗線１０は、ＰＭ付着用抵抗線２の近傍（すなわちＰＭ付着用抵抗線２とほぼ同じ温度となる位置）で、かつ、ＰＭが付着しない位置に配置される。本実施の形態では、温度補償用抵抗線１０を、電気ヒーター４の絶縁体６中に組み込むようにして配置し、かつ、温度補償用抵抗線１０を、ＰＭ付着用抵抗線２に沿うように巻回して配置している。ＰＭ付着用抵抗線２と温度補償用抵抗線１０は、両抵抗線２，１０間で温度差が生じないよう、なるべく近づけて配置されることが望ましい。
【００３７】
図２に示すように、温度補償用抵抗線１０は、ＰＭ付着用抵抗線２と直列に接続されており、検出部３は、直列に接続したＰＭ付着用抵抗線２と温度補償用抵抗線１０全体に直流電圧Ｖccを印加し、ＰＭ付着用抵抗線２と温度補償用抵抗線１０の接続点ａにおける電圧Ｖaを計測することで、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値の変化を検出するようにされる。つまり、検出部３は、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値（ＰＭが付着したときの合成抵抗値）が低くなり、接続点ａにおける電圧Ｖaが所定のしきい値を超えて高くなったとき（あるいは電圧Ｖaの上昇率が所定のしきい値を超えたとき）に、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着していること、すなわちＤＰＦが破損していることを検出する。
【００３８】
さらに、ＤＰＦはＰＭを１００％捕獲できないため、ＰＭセンサー１は、エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中（走行中）の一定時間ごとに電気ヒーター４（電熱線５）に通電して、ＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させる再生部１３を備えている。
【００３９】
ＤＰＦはＰＭを１００％捕獲しないため、ＤＰＦが正常であっても、長時間運転を行うと、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着してしまい、実際にはＤＰＦが破損していないにもかかわらず、ＤＰＦが破損していると誤って検出してしまうおそれがある。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中の一定時間ごとに、再生部１３が電気ヒーター４に通電して、ＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させるようにした。
【００４１】
より具体的には、再生部１３は、エンジンの運転時間を積算し、エンジン稼働中の一定時間ごとに電気ヒーター４に通電して定期的にＰＭを燃焼させ、常にＰＭ付着用抵抗線２の表面にＰＭが堆積しないようにする。また、再生部１３は、エンジン始動時に電気ヒーター４に通電し、エンジン始動時にもＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させる。
【００４２】
エンジン稼働中に再生部１３が電気ヒーター４に通電する時間間隔については、予め、エンジン稼働中にＰＭ付着用抵抗線２にＰＭがどれくらい付着するかを計測しておき、検出部３がＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着していると検出してしまわない（ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値が低くならない）程度の時間間隔（例えば、３〜４時間程度）に設定すればよい。検出部３、および再生部１３は、ＥＣＭ９に搭載される。
【００４３】
次に、ＰＭセンサー１の動作原理を説明する。
【００４４】
ＤＰＦが破損、損傷するなどしてその機能が失われると、ＤＰＦの下流側の排気通路１１にＰＭが流出する。流出したＰＭは、排気方向上流側に臨むＰＭ付着用抵抗線２の表面に付着する。
【００４５】
ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着、堆積すると、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗ＲとＰＭの抵抗ＲPMが並列に接続された状態となり、合成抵抗の抵抗値Ｒxは下式（１）
（１／Ｒx）＝（１／Ｒ）＋（１／ＲPM）      ・・・（１）
のようになる。
【００４６】
本実施の形態では、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値Ｒを、ＰＭの抵抗ＲPMとほぼ同じ値となるように設定しているため、ＤＰＦが破損してＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着、堆積すると、図３に示すように、ＰＭ付着用抵抗線２における合成抵抗の抵抗値Ｒxは大幅に減少する。
【００４７】
ＰＭセンサー１では、両抵抗線２，１０として抵抗値及び温度特性が同じものを用いているため、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着していない状態（ＲPM＝無限大）においては、接続点ａの上下の両抵抗線２，１０の抵抗値は温度に関わらず等しくなり、接続点ａにおける電圧ＶaはＶcc／２となる。ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着すると、ＰＭ付着用抵抗線２における合成抵抗の抵抗値Ｒxが減少し、これに伴い接続点ａにおける電圧Ｖaが上昇する。検出部３は、接続点ａにおける電圧Ｖaを監視し、電圧Ｖaが予め設定した所定のしきい値を超えて高くなったか否かを検出する（あるいは電圧Ｖaの上昇率が所定のしきい値を超えているか否かを検出する）ことで、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値の変化を検出し、ＰＭ付着用抵抗線２へのＰＭの付着、すなわちＤＰＦの破損を検出する。検出部３は、ＤＰＦの破損を検出すると、例えば、ＭＩＬ（Malfunction Indicator Lamp；故障表示ランプ）を点灯する。
【００４８】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４９】
本実施の形態に係るＰＭセンサー１では、車両の排気通路１１に配置され、ＰＭを付着させるＰＭ付着用抵抗線２と、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値の変化を検出して、ＰＭの付着の有無を検出する検出部３と、ＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させる電気ヒーター４とを備えており、ＰＭ付着用抵抗線２を、電気ヒーター４の電熱線５の周囲を覆う絶縁体６の外周に設けている。
【００５０】
ＤＰＦの下流側の排気通路１１にＰＭセンサー１を配置することで、ＤＰＦが破損した際にＤＰＦの下流側に流出するＰＭを検出することが可能となり、ＤＰＦの破損を検出することができる。上述の２００３年に法規化されたＯＢＤでは、ＰＭの量について規定されておらず、ＤＰＦの破損の検出が要求されるのみであるから、ＰＭの量の計測は必要ない。
【００５１】
ＰＭセンサー１では、従来方式のような大掛かりな装置が必要なく、排気通路１１にＰＭ付着用抵抗線２を配置するという簡単な構成であるため、従来と比較して、小型かつ低コストである。
【００５２】
さらに、ＰＭセンサー１では、電気ヒーター４の電熱線５と別体にＰＭ付着用抵抗線２を備えているため、ＰＭ付着用抵抗線２を自由に選択することが可能となり、従来のように電熱線として使用可能か否かを判断する必要がない。これにより、ＰＭの抵抗値とほぼ同じ抵抗値のＰＭ付着用抵抗線２を用いることが可能となり、ＰＭ付着用抵抗線２の抵抗値とＰＭの抵抗値の合成抵抗変化率を大きくすることが可能となる。その結果、検出部３の検出回路をシンプルな構成とすることができ、低コストで、かつ、ＰＭの検出精度を向上したＰＭセンサー１を実現できる。
【００５３】
また、ＰＭセンサー１では、エンジン始動時、あるいはエンジン稼働中の一定時間ごとに電気ヒーター４に通電して、ＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを燃焼させて除去している。
【００５４】
これにより、エンジンを始動させるごとにＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを除去できるため、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭが付着していない状態で検出を開始できる。また、エンジン稼働中の一定時間ごとにＰＭ付着用抵抗線２に付着したＰＭを除去することにより、長時間走行する場合であっても、ＰＭ付着用抵抗線２にＰＭがたまってしまうことがなくなり、ＤＰＦが破損していないにもかかわらず、ＤＰＦが破損していると誤って検出してしまうおそれがなくなる。
【００５５】
上記実施の形態では、ＰＭ付着用抵抗線２を絶縁体６の外周に螺旋状に巻き付けて配置する場合について説明したが、ＰＭ付着用抵抗線２の配置形状はこれに限らず、例えば、ＰＭ付着用抵抗線２を電気ヒーター４の軸方向に平行に配置するなど、任意の配置形状とすることができる。
【００５６】
また、上記実施の形態では、ＰＭセンサー１をＤＰＦの破損を検出する目的で使用する場合について説明したが、ＰＭセンサー１を、例えば、ＤＰＦを搭載していない車両の燃料系等の異常を検出する目的で使用することも可能である。この場合、車両の排気通路にＰＭセンサー１を設けておき、車両の燃料系等で異常が発生したときに発生する黒煙（すなわちＰＭ）を、ＰＭセンサー１で検知するようにすればよい。
【００５７】
このように、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ＰＭセンサー
２  ＰＭ付着用抵抗線
３  検出部
４  電気ヒーター
５  電熱線
６  絶縁体
７  取付用台座
７ａ  ネジ部
７ｂ  端子
７ｃ  コネクタ部
８  信号線
９  ＥＣＭ
１０  温度補償用抵抗線
１１  排気通路
１２  ボス部
１３  再生部
【図１】
0005463935.tif 000002
【図２】
0005463935.tif 000003
【図３】
0005463935.tif 000004
【図４】
0005463935.tif 000005