(57)【要約】【課題】ＰＭの再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることが可能なセンサおよび酸素量制御方法を提供する。【解決手段】センサは、排気管内の排気ガスが取り込まれる筐体と、筐体内に配置され、排気ガス中の粒子状物質を捕集して粒子状物質量を検出する一方、捕集した粒子状物質を燃焼させる検出部と、筐体内に排気管外の二次空気を直接供給する二次空気供給部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管内の排気ガスが取り込まれる筐体と、
前記筐体内に配置され、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集して粒子状物質量を検出する一方、捕集した前記粒子状物質を燃焼させる検出部と、
前記筐体内に前記排気管外の二次空気を直接供給する二次空気供給部と、
を備えるセンサ。
【請求項２】
前記筐体内に前記二次空気を供給するように前記二次空気供給部を制御することにより、前記筐体内の酸素量を制御する酸素量制御部を備える、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記酸素量制御部は、
前記排気管内に供給される空気量を取得する空気量取得部と、
前記排気管内の燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得部と、
前記空気量および前記燃料噴射量に基づいて前記筐体内の酸素量を算出する酸素量算出部と、
を有し、
前記酸素量算出部により算出された前記酸素量に基づいて前記二次空気供給部を制御する、
請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記酸素量制御部は、前記酸素量算出部により算出された前記酸素量が所定量未満の場合、前記二次空気供給部により前記筐体内に一定量の前記二次空気を供給するように前記二次空気供給部を制御する、
請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記酸素量制御部は、前記酸素量算出部により算出された前記酸素量が所定量未満の場合、前記二次空気供給部により前記筐体内の酸素量が前記所定量以上になるまで前記筐体内に前記二次空気を供給するように前記二次空気供給部を制御する、
請求項３に記載のセンサ。
【請求項６】
排気管内の排気ガスが取り込まれる筐体と、前記筐体内に配置され、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集して粒子状物質量を検出する一方、捕集した前記粒子状物質を燃焼させる検出部と、前記筐体内に前記排気管外の二次空気を直接供給する二次空気供給部と、を備えるセンサの酸素量制御方法であって、
前記筐体内に前記二次空気を供給するように前記二次空気供給部を制御することにより、前記筐体内の酸素量を制御する酸素量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサおよび酸素量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気系に設けられ、内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ（Particulate Matter）という）を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１に記載されたセンサは、静電容量型のセンサであり、対向配置された一対の電極の間に堆積するＰＭにより電極間の静電容量が変化することを利用してＰＭの量を測定する。
【０００３】
また、電極間におけるＰＭの堆積量が上限値を超えると、一対の電極間に静電容量とＰＭの堆積量とのバランスが崩れてＰＭ量の測定精度が低下する。そのため、一対の電極間に堆積したＰＭを燃焼させる再生制御が行われる。これにより、電極間に堆積したＰＭが除去されて、再びＰＭ量を測定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３３８９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、センサ内のＰＭを効率よく燃焼させるには、センサ内に十分な酸素量があることが望ましい。センサは、ＰＭを捕集するフィルタの周辺に配置されるが、当該フィルタの周辺は酸素量が低下しやすいため、結果的にセンサ内に取り込まれる排気ガス中の酸素量も低下する。そのため、ＰＭの再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることができないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、ＰＭの再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることが可能なセンサおよび酸素量制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るセンサは、
排気管内の排気ガスが取り込まれる筐体と、
前記筐体内に配置され、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集して粒子状物質量を検出する一方、捕集した前記粒子状物質を燃焼させる検出部と、
前記筐体内に前記排気管外の二次空気を直接供給する二次空気供給部と、
を備える。
【０００８】
本発明に係る酸素量制御方法は、
排気管内の排気ガスが取り込まれる筐体と、前記筐体内に配置され、前記排気ガス中の粒子状物質を捕集して粒子状物質量を検出する一方、捕集した前記粒子状物質を燃焼させる検出部と、前記筐体内に前記排気管外の二次空気を直接供給する二次空気供給部と、を備えるセンサの酸素量制御方法であって、
前記筐体内に前記二次空気を供給するように前記二次空気供給部を制御することにより、前記筐体内の酸素量を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＰＭの再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態のＰＭセンサが適用されたディーゼルエンジンの排気系を示す概略構成図である。
【図２】本実施の形態のＰＭセンサを示す部分断面図である。
【図３】酸素量制御装置を示すブロック図である。
【図４】所定温度でＰＭを燃焼させたときにおけるＰＭ酸化率の時間変動を示す図である。
【図５】酸素量制御装置における酸素量制御の動作例の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態のＰＭセンサ１０が適用されたディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）１００の排気系を示す概略構成図である。
【００１２】
図１に示すように、排気管１１０には、排気上流側から順に、酸化触媒２１０、ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）２２０、ＮＯＸ浄化触媒２３０等が設けられている。本実施の形態に係るセンサの一例としてのＰＭセンサ１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０、又は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０に設けられる。
【００１３】
また、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０には、排気管噴射部１２０が設けられている。排気管噴射部１２０により、燃料が排気管１１０内に供給されると、燃料が酸化されて排気温度が上昇する。
【００１４】
次に、図２に基づいて、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入された筐体１１と、筐体１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、筐体１１に収容された検出部３０と、二次空気供給部４０と、酸素量制御装置３００とを備える。酸素量制御装置３００は、本発明の「酸素量制御部」に対応する。
【００１５】
筐体１１は、有底円筒状の内側筐体１１Ａと、内側筐体１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側筐体１１Ｂとを備えている。なお、以下の説明では、筐体１１の底部側を先端側、底部側とは反対側を基端側とする。
【００１６】
内側筐体１１Ａの底部には、内側筐体１１Ａ内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出部１３が設けられている。さらに、内側筐体１１Ａの基端側の筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の通過口１４が設けられている。この通過口１４は、内側筐体１１Ａの外周面と外側筐体１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側筐体１１Ａ内に通過させる。
【００１７】
流路１５の上流端には、流路１５内に排気管１１０を流れる排気ガスを取り込むための導入口１２が設けられている。
【００１８】
検出部３０は、排気ガス中のＰＭを検出する部分であり、捕集部３１と、一対の電極板３２と、捕集部再生制御部５０と、図示しない電気ヒータとを備えている。
【００１９】
捕集部３１は、内側筐体１１Ａ内における通過口１４に相当する部分よりも図示下側の領域に配置される複数のセルＣを有している。
【００２０】
セルＣの長手方向すなわち流路方向は、検出部３０が収容される内側筐体１１Ａの長手方向と一致しており、排気ガスが導入口１２から導出口１３に至る過程で、セルＣの隔壁表面や細孔に排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。
【００２１】
一対の電極板３２は、例えば平板状の導電性部材であり、セルＣ全体がコンデンサを形成するようにセルＣを厚さ方向に挟んで交互に積層される。
【００２２】
電気ヒータは、例えば電熱線であって、通電により発熱してセルＣを加熱することで、セルＣ内に堆積したＰＭを燃焼除去する、いわゆる捕集部再生を実行する。
【００２３】
捕集部再生制御部５０は、図示しない配線によって一対の電極板３２と接続されており、静電容量検出回路（不図示）によって検出される一対の電極板３２の間の静電容量に応じて電気ヒータに通電する捕集部再生制御を実行する。
【００２４】
二次空気供給部４０は、台座部２０に接続されることにより、直接ＰＭセンサ１０の筐体１１内に排気管１１０外の二次空気を供給する。
【００２５】
二次空気供給部４０は、空気が入ったタンク４１と、タンク４１と筐体１１とを繋ぐ管４２とを有している。
【００２６】
管４２には、例えば、図示しないバルブが設けられており、酸素量制御装置３００の制御の下、バルブを開くことにより、タンク４１内の空気が二次空気として筐体１１内に供給されるようになっている。
【００２７】
酸素量制御装置３００は、ＰＭセンサ１０の筐体１１内の酸素量を制御するための部分であり、図３に示すように、空気量取得部３１０と、燃料噴射量取得部３２０と、酸素量算出部３３０と、制御部３４０とを有している。なお、以下の説明では、ＤＰＦ２２０よりも上流側に位置するＰＭセンサ１０における酸素量制御装置３００について説明する。
【００２８】
空気量取得部３１０は、排気管１１０内に供給される空気量を取得する部分であり、取得した空気量の情報を酸素量算出部３３０に出力する。
【００２９】
燃料噴射量取得部３２０は、エンジン１００による燃料噴射量と、排気管噴射部１２０による燃料噴射量とを取得する部分であり、取得した燃料噴射量の情報を酸素量算出部３３０に出力する。
【００３０】
酸素量算出部３３０は、空気量および燃料噴射量に基づいて排気管１１０の、ＤＰＦ２２０の周辺における酸素量を以下の式（１）により算出し、制御部３４０に出力する。
【００３１】
Ａ＝Ｂ×（Ｅ−ｓｔ×（ｑ＋Ｙ））［ｇ／ｓｅｃ］・・・（１）
Ａ：ＤＰＦ２２０の周辺における酸素量
Ｂ：一般的な空気中の酸素濃度
Ｅ：排気管１１０内に供給される空気量
ｓｔ：理論空燃比
ｑ：エンジン１００による燃料噴射量
Ｙ：排気管噴射部１２０による燃料噴射量
【００３２】
制御部３４０は、酸素量算出部３３０により算出された酸素量に応じて、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に二次空気を供給するように二次空気供給部４０を制御する。
【００３３】
図４は、所定温度でＰＭを燃焼させたときにおけるＰＭ酸化率の時間変動を示す図である。図４におけるＬ１は、筐体１１内の酸素濃度が第１濃度の場合におけるＰＭの酸化率であり、Ｌ２は、筐体１１内の酸素濃度が、第１濃度より大きい第２濃度の場合におけるＰＭの酸化率である。図４におけるＬ３は、筐体１１内の酸素濃度が、第２濃度より大きい第３濃度の場合におけるＰＭの酸化率であり、Ｌ４は、筐体１１内の酸素濃度が、第３濃度より大きい第４濃度の場合におけるＰＭの酸化率である。
【００３４】
ところで、図４に示すように、所定温度でＰＭを燃焼させた場合、ＰＭ酸化率は時間が経過するにつれ上昇していくが、筐体１１内の酸素濃度が高くなるほど、酸化率が上昇することが実験的に確認されている。つまり、筐体１１内の酸素量が多いほど、ＰＭが酸化して燃焼しやすくなるため、ＰＭセンサ１０で捕集部再生制御が実行された場合、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に十分な酸素量があることが望ましい。
【００３５】
しかしながら、排気管１１０内におけるＤＰＦ２２０の周辺では、酸化触媒２１０により酸素が使用されることに起因して、ＤＰＦ２２０の周辺における周辺酸素量が低下しやすい。また、排気ガス中のＮＯｘ低減のため、排気ガスの一部を排気管１１０内に再循環させた場合、再循環させた排気ガスには、新たに酸素が取り込まれないため、周辺酸素量がさらに低下する。
【００３６】
ＰＭセンサ１０は、ＤＰＦ２２０の周辺に配置されるため、結果的にＰＭセンサ１０の筐体１１内に取り込まれる排気ガス中の酸素量も低下する。そのため、周辺酸素量の低下に起因して、ＰＭの捕集部再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることができなくなってしまう。
【００３７】
そこで、制御部３４０は、排気管１１０内に供給される空気量に対する、酸素算出部３３０より取得した酸素量の割合、つまり、ＤＰＦ２２０の周辺における周辺酸素濃度が所定濃度（所定量）未満であるか否かについて判定する。制御部３４０は、周辺酸素濃度が所定濃度未満である場合、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に二次空気を供給するように二次空気供給部４０を制御する。所定濃度は、所望のＰＭ酸化率となるような酸素濃度であり、実施の形態に応じて適宜な値に設定して良い。
【００３８】
このようにすることで、ＰＭセンサ１０の筐体１１内における酸素量を十分に確保することができるので、ＰＭの捕集部再生制御の際において電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることができる。
【００３９】
また、制御部３４０は、周辺酸素濃度が所定濃度以上である場合、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に酸素を供給しないように二次空気供給部４０を制御する。これにより、ＰＭセンサ１０内における酸素量を増やしすぎることなく適量に維持することができる。
【００４０】
また、制御部３４０は、二次空気供給部４０により二次空気を供給する際、一定量の二次空気を供給するように二次空気供給部４０を制御する。これにより、一回の二次空気供給において、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に酸素を供給しすぎることを抑制することができる。
【００４１】
次に、酸素量制御装置３００における酸素量制御の動作例について説明する。図５は、酸素量制御装置３００における酸素量制御の動作例の一例を示すフローチャートである。図５における処理は、例えば、ＰＭセンサ１０が備えられた車両の走行中において実行される。
【００４２】
図５に示すように、酸素量制御装置３００は、空気量取得部３１０により排気管１１０内に供給された空気量を取得する（ステップＳ１０１）。次に、酸素量制御装置３００は、燃料噴射量取得部３２０により排気管１１０内に噴射された燃料噴射量を取得する（ステップＳ１０２）。次に、酸素量制御装置３００は、酸素量算出部３３０により、周辺酸素量を算出する（ステップＳ１０３）。
【００４３】
次に、酸素量制御装置３００は、周辺酸素濃度が所定濃度未満であるか否かについて判定する（ステップＳ１０４）。判定の結果、周辺酸素濃度が所定濃度以上である場合（ステップＳ１０４、ＮＯ）、本制御は終了する。一方、周辺酸素濃度が所定濃度未満である場合（ステップＳ１０４、ＹＥＳ）、酸素量制御装置３００は、二次空気をＰＭセンサ１０内に供給するように二次空気供給部４０を制御する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５の後、本制御は終了する。
【００４４】
以上のように構成された本実施の形態によれば、ＰＭセンサ１０の筐体１１内の酸素量に応じて、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に排気管１１０外から二次空気を直接供給する。その結果、ＰＭセンサ１０の筐体１１内における酸素量を十分に確保することができるので、ＰＭの捕集部再生制御の際において電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることができる。
【００４５】
ところで、排気管１１０内に二次空気を供給する構成であると、ＰＭセンサ１０内の酸素濃度を十分な量にするために、排気管１１０全体の酸素量を増加させる必要が生じる。つまり、排気管１１０に供給する二次空気の量が増大するため、酸素が入ったタンク等も大規模化してしまう。
【００４６】
それに対し、本実施の形態では、二次空気供給部４０がＰＭセンサ１０に直接二次空気を供給するので、ＰＭセンサ１０内において必要な酸素量を確保すれば良い。そのため、供給される二次空気の量が排気管１１０内に二次空気を供給する構成と比較して、大幅に少なくなる。その結果、二次空気が入ったタンク等を小型化することができる。
【００４７】
また、直接ＰＭセンサ１０内の酸素量を増やせるので、捕集部再生制御におけるＰＭの燃焼を促進させることができるので、捕集部再生制御におけるＰＭの燃焼時間を短縮させることができ、ひいてはＰＭセンサ１０におけるＰＭの検出精度を向上させることができる。
【００４８】
ところで、排気管１１０内に二次空気を供給する場合、供給される二次空気に起因して排気管１１０の温度低下が起こる。しかし、本実施の形態では、ＰＭセンサ１０内に直接二次空気を供給するため、排気管１１０内に二次空気を供給する構成と比較して、供給される二次空気量が少ないため、排気管１１０の温度低下を発生することを抑制することができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態では、二次空気供給部４０による二次空気の供給量が、一定量に制御されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、二次空気供給部４０による二次空気の供給量を、筐体１１内において必要な酸素量となるように適宜変更可能に制御しても良い。
【００５０】
この場合においては、二次空気の供給量Ｄは以下の式（２）の関係を満たせば良い。
（（Ａ×０．０１Ｘ＋Ｂ×Ｄ）／（０．０１Ｘ×Ｅ＋Ｄ））≧所定濃度・・・（２）
Ａ：ＤＰＦ２２０の周辺における酸素量
Ｂ：一般的な空気中の酸素濃度
Ｅ：排気管１１０内に供給される空気量
Ｘ：排気管１１０からＰＭセンサ１０の筐体１１内に流れ込む排気ガスの割合［％］
【００５１】
なお、式（２）において、Ａ×０．０１Ｘは、排気管１１０からＰＭセンサ１０の筐体１１内に流れ込む酸素量、つまり、上述の式（１）より算出される酸素量を示している。また、０．０１Ｘ×Ｅは、排気管１１０からＰＭセンサ１０の筐体１１内に流れ込む排気ガスの量を示している。排気管１１０からＰＭセンサ１０の筐体１１内に流れ込む排気ガスの割合は、排気ガスの量と、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に流れ込む排気ガスの量との関係を示すテーブルから算出することができる。
【００５２】
このようにすることで、ＰＭセンサ１０の筐体１１内における酸素量を常に所望の酸素量に維持することができる。
【００５３】
また、上記実施の形態では、周辺酸素濃度が所定濃度未満であるか否かで二次空気を供給していたが、本発明はこれに限定されず、例えばラムダが所定の値より低下した場合、又は、捕集部再生制御をする場合に、二次空気を供給するように制御しても良い。このようにすることで、酸素量制御装置３００における制御を簡易にすることができる。
【００５４】
また、二次空気供給部４０をコンプレッサ方式のものにしても良い。このようにすることで、二次空気を二次空気供給部４０内に貯めておき、必要なときにバルブを開放して二次空気をＰＭセンサ１０の筐体１１内に供給することができる。また、このような二次空気供給部４０を、圧縮空気が足りなくなったら自動的に圧縮するような構成とすることにより、酸素量制御装置３００における制御をすることなく、ＰＭセンサ１０の筐体１１内に二次空気を供給することができる。
【００５５】
また、上記実施の形態におけるＰＭセンサ１０は、ディーゼルエンジンを搭載した車両に搭載されていたが、本発明はこれに限定されず、例えば、ガソリンエンジンを搭載した車両に搭載されていても良い。
【００５６】
ガソリンエンジンを搭載した車両の場合、ラムダが１のストイキで制御されるため、理論上、ＰＭセンサ１０内の酸素量が０となり、ＰＭの燃焼が困難になる。しかし、本実施の形態でよれば、ＰＭの燃焼に必要となる酸素を直接ＰＭセンサ１０内に供給できるため、ＰＭセンサ１０内におけるＰＭの燃焼を効果的に行うことができる。
【００５７】
その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本開示のセンサは、ＰＭの再生制御の際に、電極間に堆積したＰＭを効率よく燃焼させることが可能なセンサおよび酸素量制御方法として有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ＰＭセンサ
１１  筐体
３０  検出部
４０  二次空気供給部
３００  酸素量制御装置
３１０  空気量取得部
３２０  燃料噴射量取得部
３３０  酸素量算出部
３４０  制御部
【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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