(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルパティキュレートフィルタの複数のセルに複数の第一の電極と複数の第二の電極とを挿入してなるコンデンサの静電容量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの粒子状物質堆積量を検出する粒子状物質センサにおいて、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、前記複数のセルが縦横に積層されてなり、
前記複数のセルは、多孔質材料からなる壁で縦横の四面が囲まれると共に端面が縦横に交互に目封じされており、
複数の前記第一の電極は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの直径近傍を通る対角線上に一列に配置されているか、又は前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周近くではない対角線上に一列に配置されており、且つ、前記複数のセルのうち電極が挿入される側の端面が目封じされていない第一の開放セルに挿入されており、
複数の前記第二の電極は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの直径近傍を通る対角線上に一列に配置されているか、又は前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周近くではない対角線上に一列に配置されており、且つ、前記複数のセルのうち電極が挿入される側の端面が目封じされていない第二の開放セルに挿入されており、
前記第一の電極と前記第二の電極は、それぞれ前記複数のセルのうち前記第一の開放セルと前記第二の開放セルとの間に配置されると共に電極が挿入される側の端面が目封じされていない単一の第三の開放セルを挟んで平行に配置されており、
前記第三の開放セルは、前記第一の電極と前記第二の電極とが配置される対角方向と直交する方向で前記第一の開放セルと前記第二の開放セルのそれぞれに隣接している
ことを特徴とする粒子状物質センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出でき、かつ、検出に十分な大きさの静電容量が確保できるＰＭセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンなどの内燃機関が搭載された車両では、内燃機関から大気までの排ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）が設置され、このＤＰＦに粒子状物質（Particulate Matter；以下、ＰＭという）が捕集される。ＤＰＦは、多孔質セラミックからなるハニカム細孔状のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。
【０００３】
ＤＰＦに捕集されているＰＭの量（以下、ＰＭ堆積量という）が多くなると内燃機関の排気圧力が上昇し内燃機関の特性低下をきたすため、捕集されているＰＭを燃焼させる処理が行われる。この処理をＤＰＦ再生という。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射が行われる。排気温度が上昇すると、ＤＰＦが昇温され、ＤＰＦに捕集されているＰＭが燃焼する。
【０００４】
このとき、ＰＭ堆積量が多すぎると、ＤＰＦ再生時の熱でＤＰＦが損傷してしまう。ＰＭ堆積量が多すぎにならないうちにＤＰＦ再生するためには、ＰＭ堆積量を正確に検出する必要がある。
【０００５】
ＰＭ堆積量を検出するＰＭセンサとして、ＤＰＦに２つの電極が設置され、２つの電極により形成されるコンデンサの静電容量からＰＭ堆積量が検出されるものが知られている。この種のＰＭセンサでは、誘電体と導体の混合物であるＰＭが電極間に堆積することになるので、ＰＭ堆積量に対して直線的に静電容量が増大する。
【０００６】
図８に示された従来のＰＭセンサ８１は、円柱状のＤＰＦ８２の外周に半割円筒状に形成された２つの電極８３、８４が設置されている。２つの電極８３、８４がＤＰＦ８２を挟んで対向することにより、２つの電極８３、８４により形成されるコンデンサの静電容量がＤＰＦ８２の全体のＰＭ堆積量に応じて変化する（特許文献１）。
【０００７】
図９に示された従来のＰＭセンサ９１は、円柱状のＤＰＦ９２の外周に一方の電極９３が設置され、これよりも内側にもう一方の電極９４が同心状に設置されている。２つの電極９３、９４により形成されるコンデンサの静電容量が２つの電極９３、９４に挟まれたＤＰＦ９２の一部分のＰＭ堆積量に応じて変化する（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１４４６３０号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１２５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、一般に、ＤＰＦは、ＤＰＦを保護するための金属製のハウジングに収容され、このハウジングが車体に取り付けられる。このため、ＤＰＦの外周に設置された電極とハウジングとの間にもコンデンサが形成される。
【００１０】
図８のＰＭセンサ８１では、電極８３、８４とハウジング８５との距離が２つの電極８３、８４間の距離よりも顕著に短いため、電極８３、８４とハウジング８５によるコンデンサの静電容量が２つの電極８３、８４によるコンデンサの静電容量よりも顕著に大きい。さらに、電極８３、８４とハウジング８５によるコンデンサの静電容量は、熱的にも機械的にも不安定である。この結果、ＰＭセンサ８１の回路は、２つの電極８３、８４によるコンデンサに対して電極８３、８４とハウジング８５によるコンデンサが並列に接続された回路となる。ＰＭ堆積量を検出するべきコンデンサに、それよりも静電容量が顕著に大きく、なおかつ、不安定なコンデンサが並列に接続されたのでは、ＰＭ堆積量を正確に検出することができない。
【００１１】
図９のＰＭセンサ９１では、外周の電極９３と内側の電極９４との距離を近づけることにより、２つの電極９３、９４によるコンデンサの静電容量が大きくなる。しかし、そのためには内側の電極９４をＤＰＦ９２の外周近くに配置することになり、内側の電極９４より内側のＤＰＦ９２の一部分のＰＭ堆積量は検出できなくなる。内側の電極９４より外側のＤＰＦ９２の一部分のみＰＭ堆積量を検出したのでは、検出値がＤＰＦ９２全体の平均的なＰＭ堆積量と乖離するおそれがある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出でき、かつ、検出に十分な大きさの静電容量が確保できるＰＭセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタの複数のセルに複数の第一の電極と複数の第二の電極とを挿入してなるコンデンサの静電容量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタの粒子状物質堆積量を検出する粒子状物質センサにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、前記複数のセルが縦横に積層されてなり、前記複数のセルは、多孔質材料からなる壁で縦横の四面が囲まれると共に端面が縦横に交互に目封じされており、複数の前記第一の電極は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの直径近傍を通る対角線上に一列に配置されているか、又は前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周近くではない対角線上に一列に配置されており、且つ、前記複数のセルのうち電極が挿入される側の端面が目封じされていない第一の開放セルに挿入されており、複数の前記第二の電極は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの直径近傍を通る対角線上に一列に配置されているか、又は前記ディーゼルパティキュレートフィルタの外周近くではない対角線上に一列に配置されており、且つ、前記複数のセルのうち電極が挿入される側の端面が目封じされていない第二の開放セルに挿入されており、前記第一の電極と前記第二の電極は、それぞれ前記複数のセルのうち前記第一の開放セルと前記第二の開放セルとの間に配置されると共に電極が挿入される側の端面が目封じされていない単一の第三の開放セルを挟んで平行に配置されており、前記第三の開放セルは、前記第一の電極と前記第二の電極とが配置される対角方向と直交する方向で前記第一の開放セルと前記第二の開放セルのそれぞれに隣接している粒子状物質センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１５】
（１）ＤＰＦ全体の平均的なＰＭ堆積量が検出できる。
【００１６】
（２）検出に十分な大きさの静電容量が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明が適用されるＤＰＦの部分端面図である。
【図２】本発明が適用されるＤＰＦの部分側断面図である。
【図３】本発明に至る過程で考案したＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの部分端面図である。
【図４】図３の要部拡大図である。
【図５】本発明のＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの部分端面図である。
【図６】本発明のＰＭセンサが取り付けられたＤＰＦの斜視図である。
【図７】図５の要部拡大図である。
【図８】従来のＰＭセンサの斜視図である。
【図９】従来のＰＭセンサの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
まず、本発明の基礎としてＤＰＦの構造と機能について説明する。
【００２０】
図１に示されるように、ＤＰＦ１は、多孔質材料からなる壁２で縦横の四面が囲まれた複数のセル３が縦横に積層されセル３の端面が縦横に交互に目封じされてなる。図では、目封じをハッチングで示す。目封じされたセル３を目封じセル３ａ、目封じされないセルを開放セル３ｂという。図示のように、目封じセル３ａの両縦隣及び両横隣は開放セル３ｂであり、開放セル３ｂの両縦隣及び両横隣は目封じセル３ａである。なお、セル３の端面形状は、ここでは正方形としているが、長方形、平行四辺形など、連続的に並べることのできる形状であればよい。
【００２１】
片側端面と反対側端面とでは、目封じと開放とが逆転する。すなわち、１つのセル３は、片側端面が目封じされていれば、反対側端面は必ず開放であり、片側端面が開放であれば、反対側端面は必ず目封じされている。従って、同じセル３が片側から見れば目封じセル３ａとなり、反対側から見れば開放セル３ｂとなる。
【００２２】
図２に示されるように、ＤＰＦ１は、排ガスの排出流路に設置され、どちらかの端面が上流に望み、反対の端面が下流に望む。上流に望む面では、目封じセル３ａには排ガスは流入せず、開放セル３ｂのみに排ガスが流入する。排ガスが流入した開放セル３ｂは、下流に望む反対側端面で目封じされて目封じセル３ａとなっているため、排ガスは、多孔質材料からなる壁２を通り抜けて、隣の目封じセル３ａに移動する。隣の目封じセル３ａは、下流に望む反対側端面が開放されて開放セル３ｂとなっているため、排ガスは、この開放セル３ｂから流出する。このようにして、排ガスが壁２を通り抜けるときに、排ガス中のＰＭが多孔質材料からなる壁２に吸着される。図２では、１つの開放セル３ｂに流入した排ガスが隣接する２つの目封じセル３ａに移動するように示されているが、実際には１つの開放セル３ｂに流入した排ガスが縦横に隣接する４つの目封じセル３ａに移動するので、縦横４つの壁２にＰＭが吸着される。
【００２３】
本発明者は、本発明に至る過程で、図３に示されるＰＭセンサ４を考案した。このＰＭセンサ４は、ＤＰＦ１に第一、第二の電極５、６が設けられ、第一、第二の電極５、６により形成されるコンデンサの静電容量によりＤＰＦ１のＰＭ堆積量が検出されるものである。
【００２４】
ＰＭセンサ４では、全ての開放セル３ｂのうち対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂに第一の電極５が挿入され、第一の電極５が挿入された複数の開放セル３ｂに隣接して対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂに第二の電極６が挿入される。開放セル３ｂが目封じセル３ａと交互に配置されているので、開放セル３ｂに隣接する開放セル３ｂとは、目封じセル３ａを縦横に１つ飛ばして隣接している開放セル３ｂのことである。
【００２５】
開放セル３ｂに挿入される電極５、６は、例えば、金属線である。一列の開放セル３ｂに挿入された複数の第一の電極５同士は、短絡線７で短絡される。同様に、別の一列の開放セル３ｂに挿入された複数の第二の電極６同士は、別の短絡線８で短絡される。電極５、６が端面から挿入される深さは、任意であるが、深く挿入するほど電極５、６の長さが長くなり、電極対向面積の増加に寄与する。従って、例えば、電極５、６は、開放セル３ｂの反対側端面の目封じされている箇所近くまで届いているのが好ましい。
【００２６】
電極５、６が挿入される端面は、排ガスの排出流路の上流に望む端面でも、下流に望む端面でもよいが、電極５、６は同じ端面に挿入される。
【００２７】
図３のＰＭセンサ４において、複数の第一の電極５のうち、１つの電極Ｐ０に着目する。電極Ｐ０に最も近い第二の電極６は、第一の電極５が形成する列に対して交差する対角線上にある電極Ｑ０となり、セル３のピッチ（縦横幅）をｄとすると、電極Ｐ０対Ｑ０間距離は√２ｄとなる。よって、電極Ｐ０と電極Ｑ０とにより、電極間距離が√２ｄで、電極径に比例する電極対向面積を有するコンデンサが形成される。電極Ｐ０に次に近い第二の電極６は、第二の電極６が形成する列上で電極Ｑ０の直近に位置する電極Ｑ＋１，Ｑ−１となり、電極Ｐ０対Ｑ±１間距離は２ｄとなる。電極Ｐ０と電極Ｑ±１とにより、電極間距離が２ｄで、電極径に比例する電極対向面積を有するコンデンサが２つ形成される。同様に、電極Ｐ０と３番目以降、順次に近い複数の第二の電極６とによってもそれぞれコンデンサが形成される。これらを総合してなる複数の第一の電極５と複数の第二の電極６とからなるコンデンサは、電極間距離が√２ｄで、所定の電極対向面積を有する２枚の電極板からなる平行平板コンデンサと見なせる。
【００２８】
複数の第一の電極５と複数の第二の電極６とからなるコンデンサは、従来のＰＭセンサ８１、９１に比べて電極間距離が√２ｄと短いので、静電容量が大きく、しかも、電極５、６がハウジングから離れているので、ハウジングによる影響が小さくなることが期待できる。
【００２９】
ところで、ＰＭセンサ４では、電極５、６として金属線が開放セル３ｂに挿入されるが、挿入される金属線は、ＤＰＦ再生時の高温と車両走行時の機械的振動に対する耐久性を確保するために、ある程度太い線径が必要である。セル３のピッチｄに対して壁２の厚みとクリアランスを考慮しつつ、できるだけ太く線径が決まる。
【００３０】
図４に、ＤＰＦ１の端面をさらに拡大して示す。
【００３１】
電極５、６が挿入された開放セル３ｂのうち電極Ｐ０、Ｑ０の開放セル３ｂについて、目封じセル３ａから壁２を通り抜けて流れ込む排ガスの流れを矢印で示す。この矢印は、図２の側断面で見た矢印を端面から見たものである。ただし、実際には、１つの開放セル３ｂに縦横４つの壁２を通り抜けて縦横４つの目封じセル３ａから排ガスが流れ込むが、ここでは、電極５、６からなるコンデンサの内側（電極板間）に位置する壁２についてのみ矢印が示してある。先述のように、排ガスが壁２を通り抜けるときに壁２にＰＭが吸着されるので、電極Ｐ０、Ｑ０間の壁２にはＰＭが堆積する。同様に、電極５、６が挿入されない一般の開放セルＲにも、縦横４つの目封じセル３ａから排ガスが流れ込み、縦横４つの壁２にＰＭが堆積する。
【００３２】
このとき、電極Ｐ０、Ｑ０の開放セル３ｂは、電極５、６が挿入されているため、流路として有効な断面積が小さくなって、一般の開放セルＲに比べて排ガスの流量が制約されて少なくなる。排ガス中のＰＭ含有量が場所によらず均一であるとすると、排ガス流量の少ない場所ほどＰＭの流れる量が少ない。よって、電極Ｐ０、Ｑ０の開放セル３ｂの壁２は、一般の開放セルＲの壁２に比べてＰＭ堆積量が少なくなる。このことは、全ての電極５、６が挿入された開放セル３ｂに共通である。図３で見ると、電極５、６からなるコンデンサの内側の壁２は、全て図４で説明したＰＭ堆積量が少ない壁２となっている。これに対し、電極５、６が挿入されない全ての開放セル３ｂは、図４で説明した一般の開放セルＲに相当し、四方を囲む全ての壁２がＰＭ堆積量が多い壁２となっている。
【００３３】
この結果、ＰＭセンサ４で検出されるＰＭ堆積量は、開放セルＲにおけるＰＭ堆積量より少なくなり、ＤＰＦ１全体のＰＭ堆積量の平均より少なくなる。
【００３４】
そこで、本発明者は、ＤＰＦ１全体の平均的なＰＭ堆積量が検出できるよう、電極配置を工夫して本発明に至った。すなわち、図５に示されるように、本発明のＰＭセンサ９は、目封じされないセル３ｂのうち対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂに第一の電極５が挿入され、第一の電極５が挿入された各開放セル３ｂから２つ目に隣接する開放セル３ｂを含む対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂに第二の電極６が挿入される。２つ目に隣接する開放セル３ｂとは、縦横に目封じセル３ａを２つと開放セル３ｂを１つ飛ばして隣接している開放セル３ｂのことである。
【００３５】
図６に示されるように、本発明のＰＭセンサ９は、電極５、６が挿入された開放セル３ｂの列に沿う短絡線７、８がＤＰＦ１の端面に沿って布設される。この列の長さ（セル３の個数）が長くなるほど、電極５、６の本数が増えて電極対向面積の増加に寄与するので、望ましい。例えば、円柱状のＤＰＦ１の直径近傍を列が通るように開放セル３ｂに電極５、６が挿入されると、電極５、６の本数が最も多くなる。例えば、ＤＰＦ１の直径が２００ｍｍで、セル３のピッチ（縦横幅）ｄが１ｍｍであれば、直径近傍には斜めに１４０個に近いセル３が並ぶので、電極５、６が挿入される開放セル３ｂは、各々１４０個に近くなる。
【００３６】
このようにＤＰＦ１の開放セル３ｂに挿入された第一、第二の電極５、６が短絡線７、８でそれぞれ短絡され、短絡線７、８が図示しない検出回路に接続される。検出回路は、従来と同様であるので、説明を省略する。
【００３７】
以下、本発明のＰＭセンサ９の動作を説明する。
【００３８】
図６のＤＰＦ１においてＰＭが堆積すると、図５に示した部分においても、複数の第一の電極５と複数の第二の電極６との間にあるセル３の壁２に堆積したＰＭの堆積量が増加する。よって、電極５、６からなるコンデンサの静電容量が大きくなる。
【００３９】
このとき、本発明のＰＭセンサ９では、第一の電極５が挿入された対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂと、第二の電極６が挿入された対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂとが、目封じセル３ａを２つと開放セルを１つ挟んで隣接しているため、電極５、６によるコンデンサは、電極間距離が２√２ｄとなり、図８のＰＭセンサ８１のようにＤＰＦ８２を挟んだ電極８３、８４によるコンデンサよりも顕著に静電容量が大きくなる。同時に、電極５、６と図示しないハウジングとによるコンデンサの静電容量に比べると、電極５、６がハウジングから離れているので、電極５、６によるコンデンサの方が顕著に静電容量が大きくなる。よって、ＰＭ堆積量を正確に検出することができる。
【００４０】
また、本発明のＰＭセンサ９では、電極５、６がそれぞれ対角方向一列に並ぶ複数の開放セル３ｂに挿入されるので、図９のＰＭセンサ９１のように、電極９３、９４がＤＰＦ６２の外周近くに偏った配置とは異なり、電極５、６がＤＰＦ１の外周近くに偏らない配置となり、ＤＰＦ１全体の平均的なＰＭ堆積量を検出することができる。特に、本実施形態のように、電極５、６の列がＤＰＦ１の直径に沿う配置では、ＤＰＦ１の中心部から外周部にわたる範囲のＰＭ堆積量が検出される。
【００４１】
さらに、本発明のＰＭセンサ９では、図７に示されるように、電極Ｐ０が挿入された開放セル３ｂと電極Ｑ０が挿入された開放セル３ｂとの間に、電極５、６が挿入されない開放セル３ｂが１つ存在する。つまり、電極５、６からなるコンデンサの内側に電極５、６が挿入されない開放セル３ｂが存在する。この開放セル３ｂを検出用開放セルＳと呼ぶことにする。
【００４２】
検出用開放セルＳを囲む４つの壁２は、一般の開放セルＲの４つの壁２と同様に排ガスの流量が制約されない壁２である。よって、検出用開放セルＳには開放セルＲと同量のＰＭ堆積量が得られる。
【００４３】
図５で見ると、電極５、６からなるコンデンサの内側には、開放セルＲとＰＭ堆積量が同等の検出用開放セルＳが並んでいる。よって、ＰＭセンサ９で検出されるＰＭ堆積量は、ＤＰＦ１全体の平均的なＰＭ堆積量と見なせる。
【符号の説明】
【００４４】
１  ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２  壁
３  セル
３ａ  目封じセル
３ｂ  開放セル
４  ＰＭセンサ
５  第一の電極
６  第二の電極
７  短絡線
８  短絡線
【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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