(57)【要約】【課題】検出感度を向上することができる堆積量検出装置、および検出システムを提供する。【解決手段】堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路Ｕに設けられており、かつ主面３１ａを有する誘電体３１と、平面視において互いに対向するように誘電体３１の主面３１ａに設けられた一対の電極３３ａ，３３ｂと、一対の電極３３ａ，３３ｂを覆うように誘電体３１の主面３１ａに設けられたカバー層３２と、排気ガス中に含まれる粒子状物質が誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された堆積量を、一対の電極３３ａ，３３ｂ間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部４とを備え、カバー層３２には、複数の気孔Ｃが形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスが移動する排気通路に設けられており、かつ主面を有する誘電体と、
平面視において互いに対向するように前記誘電体の主面に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極を覆うように前記誘電体の主面に設けられたカバー層と、
前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記誘電体の主面上に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、
前記カバー層には、複数の気孔が形成されている、堆積量検出装置。
【請求項２】
前記カバー層に形成された複数の気孔の全ては、閉気孔である、請求項１に記載の堆積量検出装置。
【請求項３】
前記カバー層に形成された複数の気孔のうち一部の気孔は、開気孔であり、
前記電極は、金または白金から構成される、請求項１に記載の堆積量検出装置。
【請求項４】
前記カバー層は、前記一対の電極それぞれを個別に覆うように前記誘電体の主面に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
【請求項５】
前記誘電体には発熱体が埋設されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の堆積量検出装置。
【請求項６】
前記排気通路に設けられており、かつ前記排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタ装置と、
前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質の堆積量を検出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の堆積量検出装置と、を備えた制御システム。
【請求項７】
前記排気通路を移動する排気ガスの流量を検出する流量検出装置と、
前記流量検出装置により検出された排気ガスの流量と、前記堆積量検出装置により検出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した前記排気ガス中に、前記フィルタ装置で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する制御装置と、をさらに備えた請求項６に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出する堆積量検出装置、および検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の堆積量を検出する堆積量検出装置としては、例えば、静電容量の変化を利用して堆積量を検出する、いわゆる静電容量型の堆積量検出装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３４１２号公報
【特許文献２】特表２０００−５１７４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の堆積量検出装置では、粒子状物質の堆積量を、単に、一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出しているので、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が小さく、検出感度が悪いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出感度を向上することができる堆積量検出装置、および検出システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明における堆積量検出装置は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路に設けられており、かつ主面を有する誘電体と、平面視において互いに対向するように前記誘電体の主面に設けられた一対の電極と、前記一対の電極を覆うように前記誘電体の主面に設けられたカバー層と、前記排気ガス中に含まれる粒子状物質が前記誘電体の主面上に堆積された堆積量を、前記一対の電極間の静電容量の変化に基づいて算出する堆積量算出部と、を備え、前記カバー層には、複数の気孔が形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の堆積量検出装置、および検出システムは、検出感度を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る検出システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサの概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、カバー層を省略した場合の、堆積量検知センサの概略構成を示す平面図である。
【図４】図４は、図３中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。
【図５】図５は、シミュレーションで測定した結果を示す図である。
【図６】図６は、図４と同じ箇所を示す断面図であって、好ましい態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る検出システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る検出システム１は、例えば、図示しない車両（自動車等）等の石油系燃料を使用する燃焼装置に設けられるものであって、フィルタ装置２、堆積量検知センサ３、堆積量算出部４、流量センサ５、流量算出部６、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７、および制御部８を備えている。ここで、堆積量検知センサ３および堆積量算出部４が、本発明に係る堆積量検出装置の一実施形態となる。
【００１１】
フィルタ装置２は、排気通路Ｕに設けられており、排気通路Ｕを移動する排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するための装置である。フィルタ装置２は、例えば、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）から構成される。すなわち、排気ガスは、ディーゼルエンジン、ピストンエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関が燃焼することによって発生するとともに、図１の矢印で示されているように、内燃機関（上流）から消音器（下流）に向かって排気通路Ｕを移動する。なお、消音器を通過した排気ガスは、外部へ放出される。ここで、排気ガス中に含まれる粒子状物質としては、例えば、単純な固形の炭素の微粒子が房状に連なったもの、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）と呼ばれる高分子炭化水素、あるいは硫酸塩等が挙げられる。この粒子状物質は、人の気道や肺に沈着するので、人体へ悪影響を及ぼすとともに、大気汚染の要因ともなり得る。そのため、フィルタ装置２において粒子状物質が捕集される。
【００１２】
堆積量検知センサ３は、排気ガス中に含まれる粒子状物質の堆積量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも下流側（消音器側）の排気通路Ｕに設けられている。
【００１３】
図２は、本実施形態に係る堆積量検知センサ３の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であって、排気通路Ｕに設けられた台座Ｂの上に設けられている。なお、台座Ｂを設けることなく、直接、堆積量検知センサ３を排気通路Ｕに設けるようにしてもよい。また、本実施形態に係る堆積量検知センサ３は、外観視直方体状であるが、これに限らず、丸棒状、板状等であってもよく、その形状については特に限定されない。
【００１４】
堆積量検知センサ３は、誘電体３１、およびカバー層３２を備えている。なお、図３は、カバー層３２を省略した場合の、堆積量検知センサ３の概略構成を示す平面図である。ここで、図３は、図２の矢印Ｎの方向から見た平面図である。図４は、図３中に示した切断線Ｉ−Ｉに沿って切断した断面図である。
【００１５】
誘電体３１は、内燃機関の排気ガスが移動する排気通路Ｕに設けられており、かつ主面３１ａを有している。なお、本実施形態においては、誘電体３１の主面３１ａは、排気通路Ｕの長手方向（図２の矢印Ｎの方向）に対して略垂直な面であり、排気ガスの風の影響を受ける面となる。このため、誘電体３１の主面３１ａ上に、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質が堆積されることになる。ここで、誘電体３１としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、あるいはガラスセラミック焼結体等のセラミックが挙げられる。
【００１６】
カバー層３２は、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂを覆うように誘電体３１の主面３１ａに設けられている。なお、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂは、一対の電極であって、その形状は、図３に示すように、平面視において櫛歯状である。第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂは、所定の隙間を介して互いに噛み合うように誘電体３１の主面３１ａに設けられている。ここで、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂは、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、タングステン、モリブデン、またはマンガン等の金属材料からなる。このように、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂが平面視において櫛歯状であり、かつ所定の隙間を介して互いに噛み合うように誘電体３１の主面３１ａに設けられているので、縁端効果が発現し易くなり、堆積量検出装置の検出感度が向上する。
【００１７】
なお、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂは、平面視において互いに対向するように誘電体３１の主面３１ａに設けられていれば、その形状については特に限定されない。例えば、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂの形状は、上述した櫛歯状以外に、ミアンダ形状、２重らせん形状であってもよい。このような形状であっても、縁端効果が発現し易くなるので、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
【００１８】
また、カバー層３２には、図４に示すように、複数の閉気孔Ｃが形成されている。本実施形態においては、カバー層３２に形成される複数の気孔の全ては、閉気孔Ｃである。すなわち、誘電率がほぼ「１」である空気がカバー層３２に複数形成されるため、カバー層３２の誘電率は、カバー層３２に複数の閉気孔Ｃが形成されていない場合と比較して、低くなる。このように、カバー層３２の誘電率が低くなるため、堆積量検出装置の検出感度は向上する。なお、この理由については、後述する。
【００１９】
また、誘電体３１には、発熱体３４が埋設されている。発熱体３４は、図示しない発熱体制御部からの指示によって、発熱する。発熱体３４が発熱することにより、誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質が焼失する。これにより、誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質をクリーニングすることが可能となる。なお、発熱体制御部が発熱体３４を発熱させるタイミングについては、特に限定されない。例えば、誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質の堆積量が閾値を超えた場合に、発熱体制御部が発熱体３４を発熱させてもよいし、一定時間毎に、発熱体制御部が発熱体３４を発熱させてもよい。なお、誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された粒子状物質をクリーニングする必要がない場合には、誘電体３１に発熱体３４を埋設しなくてもよい。
【００２０】
堆積量算出部４は、排気ガス中に含まれる粒子状物質が誘電体３１の主面３１ａ上に堆積された堆積量を、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の静電容量の変化に基づいて算出する。堆積量算出部４は、算出した堆積量を、制御部８へ出力する。
【００２１】
ところで、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、粒子状物質が堆積されていない場合と粒子状物質が堆積されている場合とにおける静電容量の変化率が大きいことが必要である。そこで、本発明者らは、誘電体３１の誘電率を「９」、粒子状物質の誘電率を「６」で固定し、カバー層３２の誘電率を「６」、「９」、「１２」、「１５」と順次変化させた場合の、粒子状物質が堆積されていない場合（厚み０ｍｍ）と粒子状物質が堆積されている場合（厚み０．１ｍｍ）とにおける静電容量の変化率を、シミュレーションにて測定した。その結果を図５に示す。
【００２２】
図５に示すように、カバー層３２の誘電率が低いほど、静電容量の変化率が大きいことが判る。なお、静電容量の変化率（％）は、静電容量の変化量を、粒子状物質が堆積されていない場合の静電容量の値で割り、その結果に対して１００を乗じることによって算出される。すなわち、堆積量検出装置の検出感度を向上するためには、カバー層３２の誘電率を低くすることが必要である。言い換えるならば、断面視した場合における、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の誘電率を低くすることが必要である。
【００２３】
ここで、カバー層３２の誘電率が低いほど、静電容量の変化率が大きくなるのは、次の理由による。すなわち、カバー層３２の誘電率が低くなると、カバー層３２の誘電率は、粒子状物質の誘電率と比較して、相対的に低くなる。つまり、カバー層３２の誘電率と粒子状物質の誘電率との和に対する粒子状物質の誘電率の割合が高くなる。そのため、カバー層３２の誘電率が低いほど、静電容量の変化率が大きくなり、堆積量検出装置の検出感度は向上する。
【００２４】
このため、本実施形態では、カバー層３２に複数の閉気孔Ｃを形成することにより、カバー層３２の誘電率、すなわち、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の誘電率を低くしている。そのため、本実施形態に係る堆積量検出装置は、上記従来の堆積量検出装置と比較して、検出感度を向上することができる。
【００２５】
なお、上記では、カバー層３２に形成される複数の気孔の全てが、閉気孔Ｃである場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、カバー層３２に形成される複数の気孔のうち一部の気孔は、開気孔であってもよい。但し、カバー層３２に開気孔を形成した場合、この開気孔を通じて粒子状物質が第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂに付着し、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂが腐食してしまう可能性がある。このため、カバー層３２に開気孔を形成する場合には、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂは、耐腐食性の高い、例えば、金または白金等の金属材料を用いて構成することが必要である。逆に言えば、本実施形態のように、カバー層３２に形成される複数の気孔の全てが閉気孔Ｃである場合には、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂの構成材料として、耐腐食性の高い材料を選択する必要がなく、材料選定の自由度が向上する。
【００２６】
なお、カバー層３２の誘電率をさらに低くするためには、カバー層３２を低誘電率材料で構成することが好ましい。低誘電率材料としては、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、高耐熱エポキシ樹脂、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣ等が挙げられる。低誘電率材料を用いてカバー層３２を構成すると、本実施形態に係る堆積量検出装置は、検出感度をさらに向上することができる。
【００２７】
また、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の誘電率をさらに低くするためには、図６に示すように、カバー層３２が、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂそれぞれを個別に覆うように誘電体３１の主面３１ａに設けられていることが好ましい。すなわち、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間に、誘電率がほぼ「１」である空気が介在することになるため、第１電極３３ａおよび第２電極３３ｂ間の誘電率はさらに低くなる。このようにすると、本実施形態に係る堆積量検出装置は、検出感度をさらに向上することができる。
【００２８】
流量センサ５は、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を検出するためのセンサであって、フィルタ装置２よりも上流側（内燃機関側）の排気通路Ｕに設けられている。流量センサ５としては、例えば、熱式流量方式を用いた流量センサが挙げられる。なお、排気ガスの流量を検出できれば、流量センサ５の方式については、特に限定されない。
【００２９】
流量算出部６は、流量センサ５により検出された情報に基づいて、排気通路Ｕを移動する排気ガスの流量を算出する。流量算出部６は、算出した排気ガスの流量を、制御部８へ出力する。
【００３０】
なお、流量センサ５および流量算出部６が、本発明に係る流量検出装置の一実施形態となる。
【００３１】
ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御するコントローラである。例えば、ＥＣＵ７は、後述する制御部８からの指示によって、内燃機関の回転数を低下あるいは上昇させ、または内燃機関の点火時期等を制御する。すなわち、ＥＣＵ７は、内燃機関における点火系と燃焼系とを制御することにより、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数を制御することができる。
【００３２】
制御部８は、流量算出部６により算出された排気ガスの流量と、堆積量算出部４により算出された粒子状物質の堆積量とに基づいて、単位時間当たりに移動した排気ガス中に、フィルタ装置２で捕集できなかった粒子状物質がどのくらい含まれていたかを示す捕集不可量を算出する。制御部８は、算出した捕集不可量に基づいて、ＥＣＵ７に対して指示する。例えば、制御部８は、算出した捕集不可量が閾値以上であれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質の数が減少するように、ＥＣＵ７に対して指示する。なお、制御部８は、ＥＣＵ７に対して指示することなく、算出した捕集不可量を、単にディスプレイに表示するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  検出システム
２  フィルタ装置
３  堆積量検知センサ
３１  誘電体
３１ａ  主面
３２  カバー層
３３ａ  第１電極
３３ｂ  第２電極
４  堆積量算出部
５  流量センサ
６  流量算出部
８  制御部
Ｃ  閉気孔
【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６】
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