(57)【要約】【課題】センサ内の排気ガスの流量が変動した場合でも、排気管内のＰＭの量を正確に推定することが可能な粒子状物質量推定装置、センサおよび粒子状物質量推定方法を提供する。【解決手段】粒子状物質量推定装置は、排気ガスが流れる排気管内に設けられたセンサにより検出された粒子状物質の量を取得する粒子状物質量取得部と、センサ内の圧力変化に基づいて、センサ内に進入して流れる排気ガスの第１流量を算出する第１流量算出部と、排気管内を流れる排気ガスの第２流量を取得する第２流量取得部と、粒子状物質量取得部により取得された粒子状物質の量と、第１流量算出部により算出された第１流量と、第２流量取得部により取得された第２流量とに基づいて、センサ内に進入せずに排気管内を流れる粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが流れる排気管内に設けられたセンサにより検出された粒子状物質の量を取得する粒子状物質量取得部と、
前記センサ内の圧力変化に基づいて、前記センサ内に進入して流れる前記排気ガスの第１流量を算出する第１流量算出部と、
前記排気管内を流れる前記排気ガスの第２流量を取得する第２流量取得部と、
前記粒子状物質量取得部により取得された前記粒子状物質の量と、前記第１流量算出部により算出された前記第１流量と、前記第２流量取得部により取得された前記第２流量とに基づいて、前記センサ内に進入せずに前記排気管内を流れる前記粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定部と、
を備える粒子状物質量推定装置。
【請求項２】
前記センサ内に進入する前記排気ガスの移動方向において、前記センサ内の前記排気ガス中の前記粒子状物質を捕集する捕集部よりも上流側の第１圧力を取得する第１圧力取得部と、
前記センサ内に流れ込む前記排気ガスの移動方向において、前記捕集部よりも下流側の第２圧力を取得する第２圧力取得部と、
を備え、
前記第１流量算出部は、前記第１圧力取得部により取得された前記第１圧力と、前記第２圧力取得部により取得された前記第２圧力とに基づいて前記第１流量を算出する、
請求項１に記載の粒子状物質量推定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の粒子状物質量推定装置を備える、
センサ。
【請求項４】
排気ガスが流れる排気管内に設けられたセンサにより検出された粒子状物質の量を取得し、
前記センサ内の圧力変化に基づいて、前記センサ内に進入して流れる前記排気ガスの第１流量を算出し、
前記排気管内の前記排気ガスの第２流量を取得し、
取得した前記粒子状物質の量と、算出した前記第１流量と、取得した前記第２流量とに基づいて、前記センサ内に進入せずに前記排気管内を流れる前記粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質量推定装置、センサおよび粒子状物質量推定方法に関する。
【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１参照）。このセンサは、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】
ところで、排気管におけるセンサの下流側には、ＰＭを捕集するためのフィルタ（以下、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）という）が設けられているが、実際に測定すべきなのは、センサ内のＰＭの量ではなく、ＤＰＦに捕集されるＰＭの量である。そのため、センサ内におけるＰＭの量に基づいて排気管内におけるＰＭの量を正確に推定する必要がある。
【０００４】
特許文献１には、センサ出力とＰＭ排出量との間に所定の相関関係があることを利用して、当該センサ出力の値からＰＭの排出量を推定する技術が記載されている。また、特許文献１には、車両の走行条件の変化に起因するセンサ内の排気ガス流量の変化に応じて、推定したＰＭの排出量を変更する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
ところで、センサ内と排気管内との間で排気ガスの流量が異なるため、排気管内のＰＭの量を正確に推定する上で、センサ内を流れるＰＭの量と、センサ内に進入せずに排気管内を流れるＰＭの量との割合を考慮する必要がある。しかしながら、センサ内における捕集部にＰＭが堆積されていくと、センサ内の排気ガスの流量が変動するため、センサ内と排気管内との間でＰＭの量の割合も変動してしまう。従って、センサ内におけるＰＭの量に基づいて排気管内におけるＰＭの量を正確に推定することは困難であるという問題があった。
【０００７】
なお、特許文献１に記載の構成では、センサ内の排気ガスの流量が変動する点については考慮していないため、排気管内のＰＭの量を正確に推定するのに一定の限界があった。
【０００８】
本発明の目的は、センサ内の排気ガスの流量が変動した場合でも、排気管内のＰＭの量を正確に推定することが可能な粒子状物質量推定装置、センサおよび粒子状物質量推定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る粒子状物質量推定装置は、
排気ガスが流れる排気管内に設けられたセンサにより検出された粒子状物質の量を取得する粒子状物質量取得部と、
前記センサ内の圧力変化に基づいて、前記センサ内に進入して流れる前記排気ガスの第１流量を算出する第１流量算出部と、
前記排気管内を流れる前記排気ガスの第２流量を取得する第２流量取得部と、
前記粒子状物質量取得部により取得された前記粒子状物質の量と、前記第１流量算出部により算出された前記第１流量と、前記第２流量取得部により取得された前記第２流量とに基づいて、前記センサ内に進入せずに前記排気管内を流れる前記粒子状物質の量を推定する粒子状物質量推定部と、
を備える。
【００１０】
本発明に係るセンサは、
上記の粒子状物質量推定装置を備える。
【００１１】
本発明に係る粒子状物質量推定方法は、
排気ガスが流れる排気管内に設けられたセンサにより検出された粒子状物質の量を取得し、
前記センサ内の圧力変化に基づいて、前記センサ内に進入して流れる前記排気ガスの第１流量を算出し、
前記排気管内の前記排気ガスの第２流量を取得し、
取得した前記粒子状物質の量と、算出した前記第１流量と、取得した前記第２流量とに基づいて、前記センサ内に進入せずに前記排気管内を流れる前記粒子状物質の量を推定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、センサ内の排気ガスの流量が変動した場合でも、排気管内のＰＭの量を正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】本実施の形態のＰＭ量推定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１に収容されたセンサ部３０と、第１圧力検出部５０と、第２圧力検出部６０と、ＰＭ量推定装置３００（ＥＣＵ）とを備える。
【００１７】
ケース部材１１は、有底円筒状の内側ケース部１１Ａと、内側ケース部１１Ａの円筒外周面を囲む円筒状の外側ケース部１１Ｂとを備えている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側を基端側とする。
【００１８】
内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部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、内側ケース部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、内側ケース部１１Ａの外周面と外側ケース部１１Ｂの内周面とで区画された流路１５内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。
【００１９】
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。
【００２０】
センサ部３０は、捕集部３１と、一対の電極板３２と、捕集部再生制御部４０と、図示しない電気ヒータとを備えている。
【００２１】
捕集部３１は、内側ケース部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。
【００２２】
セルＣの長手方向すなわち流路方向は、センサ部３０が収容される内側ケース部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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
捕集部再生制御部４０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Ｃｐ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。
【００２６】
第１圧力検出部５０は、ＰＭセンサ１０内における排気ガスの移動方向においてセンサ部３０よりも上流側に配置されており、捕集部３１よりも上流側の第１圧力Ｐ１を検出する。
【００２７】
第２圧力検出部６０は、ＰＭセンサ１０内における排気ガスの移動方向においてセンサ部３０よりも下流側に配置されており、捕集部３１よりも下流側の第２圧力Ｐ２を検出する。
【００２８】
ＰＭ量推定装置３００は、ＰＭセンサ１０より検出されたＰＭ量から排気管１１０内のＰＭ量を推定するための装置である。ＰＭ量推定装置３００は、本発明の「粒子状物質量推定装置」に対応する。図３は、本実施の形態のＰＭ量推定装置３００を示す図である。
【００２９】
図３に示すように、ＰＭ量推定装置３００は、ＰＭ量取得部３１０と、第１圧力取得部３２０と、第２圧力取得部３３０と、第１流量算出部３４０と、第２流量取得部３５０と、ＰＭ量推定部３６０とを備えている。
【００３０】
ＰＭ量取得部３１０は、ＰＭセンサ１０、つまり、センサ部３０により検出されたＰＭの量Ｍ１を取得し、取得したＰＭの量Ｍ１をＰＭ量推定部３６０に出力する。ＰＭ量取得部３１０は、本発明の「粒子状物質量取得部」に対応する。
【００３１】
第１圧力取得部３２０は、第１圧力検出部５０により検出された第１圧力Ｐ１を取得し、取得した第１圧力Ｐ１を第１流量算出部３４０に出力する。
【００３２】
第２圧力取得部３３０は、第２圧力検出部６０により検出された第２圧力Ｐ２を取得し、取得した第２圧力Ｐ２を第１流量算出部３４０に出力する。
【００３３】
第１流量算出部３４０は、ＰＭセンサ１０内の圧力変化に基づいてＰＭセンサ１０内に進入して流れる排気ガスの第１流量ｍ１を算出する。具体的に、第１流量算出部３４０は、第１圧力取得部３２０により取得された第１圧力Ｐ１と、第２圧力取得部３３０により取得された第２圧力Ｐ２とに基づいて第１流量ｍ１を算出する。以下に、第１流量ｍ１の算出方法の一例を述べる。
【００３４】
まず、ＰＭセンサ１０内の圧力変化、つまり、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との差分は、ＰＭセンサ１０内の流動抵抗係数ζ、ＰＭセンサ１０内の排気ガス密度ρ、ＰＭセンサ１０内の排気ガスの流速をｖとすると、ダルシー・ワイズバッハの式により、以下の式（１）のように表される。
Ｐ１−Ｐ２＝ζ・ρ・ｖ２／２［ｋＰａ］・・・（１）
【００３５】
流動抵抗係数ζは、センサ部３０におけるＰＭの量Ｍ１と一定の相関があるパラメータであることが確認されている。本実施の形態では、センサ部３０によりＰＭの量Ｍ１を確認できるため、例えば図示しない記憶部に流動抵抗係数ζとＰＭの堆積量との相関マップを予め記憶しておくことにより、ＰＭの量Ｍ１に対応した流動抵抗係数ζを容易に求めることができる。
【００３６】
ＰＭセンサ１０内の排気ガス密度ρは、ＰＭセンサ１０内を通る排気ガスの体積流量をＶとすると、以下の式（２）のように表される。
ρ＝ｍ１／Ｖ［ｋｇ／ｍ３］・・・（２）
【００３７】
ＰＭセンサ１０内の排気ガスの流速ｖは、ＰＭセンサ１０における断面積をＳ１とすると、以下の式（３）のように表される。
ｖ＝Ｖ／Ｓ１［ｍ／ｓ］・・・（３）
【００３８】
また、ＰＭセンサ１０内を通る排気ガスの体積流量Ｖは、気体の状態方程式より、第１圧力検出部５０により取得された第１圧力Ｐ１と、排気ガスの温度Ｔと気体定数Ｒとを用いて以下の式（４）のように表される。
Ｖ＝ｍ１・Ｒ・Ｔ／Ｐ１［ｍ３／ｓ］・・・（４）
【００３９】
また、排気ガスの温度Ｔは、センサ部３０における図示しない電気ヒータの温度である。なお、センサ部３０の近傍に温度検出部を設けることにより、排気ガスの温度Ｔを求めても良い。
【００４０】
上記した式（１）〜（４）より、第１流量ｍ１は以下の式（５）のように表される。
ｍ１＝Ｓ１｛２Ｐ１（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｒ・Ｔ・ζ）｝１／２［ｇ／ｓ］・・・（５）
【００４１】
第１流量算出部３４０は、上記式（５）を用いて第１流量ｍ１を算出し、ＰＭ量推定部３６０に出力する。
【００４２】
第２流量取得部３５０は、排気管１１０内を流れる排気ガスの第２流量ｍ２を取得する。第２流量ｍ２は、排気管１１０内において吸入された空気量と、エンジン１００における燃料噴射量との和である。
【００４３】
排気管１１０内における排気ガスの流量は、排気管１１０内に設けられた図示しない排気ガス流量検出部により検出された排気ガスの流量である。エンジン１００における燃料噴射量は、図示しない制御部により制御されるエンジン１００の燃料噴射量である。
【００４４】
第２流量取得部３５０は、図示しない排気ガス流量検出部より排気ガスの流量を取得するとともに、図示しない制御部よりエンジン１００の燃料噴射量を取得する。第２流量取得部３５０は、取得した排気ガスの流量および燃料噴射量から第２流量ｍ２を算出し、ＰＭ量推定部３６０に出力する。なお、第２流量取得部３５０は、第２流量ｍ２として算出されたものを取得しても良い。
【００４５】
ＰＭ量推定部３６０は、ＰＭ量取得部３１０により取得されたＰＭの量Ｍ１と、第１流量算出部３４０により算出された第１流量ｍ１と、第２流量取得部３５０により取得された第２流量ｍ２とに基づいて、ＰＭセンサ１０内に進入せずに排気管１１０内を流れるＰＭの量Ｍ２を推定する。ＰＭ量推定部３６０は、本発明の「粒子状物質量推定部」に対応する。
【００４６】
ＰＭ量推定部３６０は、以下の式（６）を用いて排気管１１０内のＰＭの量Ｍ２を算出する。
Ｍ２＝Ｍ１×（ｍ２／ｍ１）［ｇ／ｍ３］・・・（６）
【００４７】
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内のＰＭの量Ｍ１と、ＰＭセンサ１０内の排気ガスの第１流量ｍ１と、排気管１１０内の排気ガスの第２流量ｍ２とを用いて排気管１１０内のＰＭの量Ｍ２を推定する。特に、第１流量ｍ１においては、ＰＭセンサ１０内の圧力変化に基づいて算出される。これにより、本実施の形態におけるＰＭの量Ｍ２の推定は、ＰＭセンサ１０内における捕集部３１にＰＭが堆積されていくことに起因したＰＭセンサ１０内の排気ガスの第１流量ｍ１の変動を考慮した推定となる。そのため、本実施の形態では、ＰＭセンサ１０内の排気ガスの流量が変動した場合でも、正確に排気管１１０内のＰＭの量Ｍ２を推定することができる。
【００４８】
また、ＰＭセンサ１０内における捕集部３１の上下流の圧力を用いて第１流量ｍ１を算出するので、より正確に第１流量ｍ１を算出することができ、ひいてはより正確に排気管１１０内のＰＭの量Ｍ２を推定することができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態では、ダルシー・ワイズバッハの式により、第１流量ｍ１を算出したが、本発明はこれに限定されず、別の式により算出しても良い。例えば、ＰＭセンサの構成が並行平板にＰＭを付着させる構成の場合、圧損が変化することがないので、一般的な式であるベルヌーイの定理から第１流量ｍ１を算出しても良い。
【００５０】
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１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。
【００５１】
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】
【００５２】
本発明は、排気管内のＰＭの量を正確に推定することが可能な粒子状物質量推定装置、センサおよび粒子状物質量推定方法として有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ＰＭセンサ
３００  ＰＭ量推定装置
３１０  ＰＭ量取得部
３２０  第１圧力取得部
３３０  第２圧力取得部
３４０  第１流量算出部
３５０  第２流量取得部
３６０  ＰＭ量推定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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