(57)【要約】センサがエンジンの排気流内の粒子状物質を検出する。センサは、ステンレス鋼又はその他の材料からなる延長中央電極を有するスパークプラグ状装置である。電極は、その上に形成された不動態化薄層を有する。薄層は、排気装置内で電極上に成長又は堆積される。センサは、排気流内の粒子濃度を指示する電荷過渡状態を検出する。排気装置内の粒子状物質に関する情報は、他のエンジン情報と共に、排気装置内の粒子状物質に影響を及ぼすようにエンジンのパラメータを制御又は調節するように処理される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
取付け台と、
前記取付け台に配置された絶縁体と、
前記絶縁体に配置された電極と、
前記絶縁体に配置されかつ前記電極に接続された端子と、
を備え、前記電極が絶縁フィルムで被覆されている、粒子状物質センサ。
【請求項２】
前記電極はステンレス鋼からなる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記絶縁フィルムは不動態化層である、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記端子に接続された入力部と、前記電極において通過する気体流の粒子濃度を指示する出力部とを有する増幅器をさらに備えた、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記不動態化層は、酸化鋼、酸化セリウム、及びセラミックからなる群から選択された材料を備えた、請求項３に記載のセンサ。
【請求項６】
前記電極は、燃焼装置の排気装置の一部に配置されている、請求項３に記載のセンサ。
【請求項７】
前記電極は３０４ステンレス鋼からなる、請求項３に記載のセンサ。
【請求項８】
中央電極を有するスパークプラグと、
前記中央電極に取り付けられたロッドと、
前記ロッド上に形成された不動態化層と、
を備えた、粒子状物質検出器。
【請求項９】
前記ロッドは金属ロッドである、請求項８に記載の検出器。
【請求項１０】
前記金属ロッドは鋼ロッドである、請求項９に記載の検出器。
【請求項１１】
前記不動態化層は酸化鋼である、請求項１０に記載の検出器。
【請求項１２】
前記鋼はステンレス鋼である、請求項１１に記載の検出器。
【請求項１３】
前記不動態化層は、酸化鋼、酸化セリウム、及びセラミックからなる群から選択された材料を備えた、請求項９に記載の検出器。
【請求項１４】
前記鋼は３０４ステンレス鋼である、請求項１２に記載の検出器。
【請求項１５】
前記金属ロッドは６．３５ないし３０４．８ｍｍ（０．２５ないし１２ｉｎ）の長さを有し、前記金属ロッドは０．７９ないし９．５２ｍｍ（１／３２ないし３／８ｉｎ）の太さを有する、請求項１２に記載の検出器。
【請求項１６】
前記スパークプラグは前記金属ロッドに接続された端子を有し、前記端子は前記金属ロッド付近の粒子濃度を指示する出力部を有する増幅器に接続されている、請求項９に記載の検出器。
【請求項１７】
前記金属ロッドは燃焼機構の一部に配置されている、請求項１６に記載の検出器。
【請求項１８】
中央電極を有するスパークプラグを獲得すること、
金属ロッドを前記中央電極に取り付けること、
不動態化フィルムを前記金属ロッド上に形成すること、
を含む、粒子検出器の製造方法。
【請求項１９】
前記金属ロッドはステンレス鋼からなり、前記不動態化フィルムは酸化ステンレス鋼である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記金属ロッドは３０４ステンレス鋼からなる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
導電性ロッドを保持する手段と、
前記導電性ロッド上に不動態化層を形成する手段と、
前記導電性ロッドに電気的に接続する手段と、
を備えた、粒子状物質検出手段。
【請求項２２】
粒子状物質を検出する手段を燃焼機構の排気装置の一部に装着する手段をさらに備えた、請求項２１に記載の手段。
【請求項２３】
前記燃焼機構はジーゼル・エンジンである、請求項２２に記載の手段。
【請求項２４】
細長い金属部品を形成し、前記細長い金属部品を絶縁体内に置くこと、
前記細長い金属部品に接続された端子を形成すること、
前記細長い金属部品上に絶縁薄フィルムを形成すること、
を含む、センサの製造方法。
【請求項２５】
前記細長い金属部品はステンレス鋼であり、
前記絶縁薄フィルムが前記ステンレス鋼を酸化することによって形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステンレス鋼は３０４ステンレス鋼である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
金属ベースと、
前記金属ベースに配置された絶縁体と、
前記絶縁体に配置された細長い金属部品と、
前記細長い金属部品上に形成された絶縁フィルムと、
を備えた、検出器。
【請求項２８】
前記細長い金属部品はステンレス鋼からなり、
前記絶縁フィルムは前記ステンレス鋼からの不動態化フィルムの形成物である、請求項２７に記載の検出器。
【請求項２９】
前記細長い金属部品は３０４ステンレス鋼からなる、請求項２８に記載の検出器。
【請求項３０】
前記細長い金属部品が増幅器に接続され、
前記増幅器は前記細長い金属部品付近の粒子状物質の濃度を指示する出力を有している、請求項２９に記載の検出器。
【請求項３１】
前記細長い金属部品はエンジンの排気装置に配置されている、請求項３０に記載の検出器。
【請求項３２】
増幅器からなるプロセッサと、
前記エンジン及び前記プロセッサに接続された複数のセンサとをさらに備え、
前記プロセッサが前記エンジンに制御信号を与えて、前記排気装置の粒子状物質の量に影響を及ぼすようにした、請求項３１に記載の検出器。
【請求項３３】
前記制御信号は前記エンジンの排気ガス再循環の燃料噴射タイミング及びパーセントに影響を及ぼす、請求項３２に記載の検出器。
【請求項３４】
エンジンの排気装置に配置された粒子状物質センサと、
前記粒子状物質センサに接続されたプロセッサと、
前記プロセッサ及び前記エンジンに接続された複数のエンジンパラメータセンサと、
を備え、前記プロセッサが前記エンジンに制御信号を与えて、前記排気装置の粒子状物質の量に影響を及ぼすようにした、検出器。
【請求項３５】
前記制御信号は前記エンジンの燃料噴射タイミングに影響を及ぼす、請求項３４に記載の検出器。
【請求項３６】
前記制御信号は前記エンジンの排気ガス再循環のパーセントに影響を及ぼす、請求項３４に記載の検出器。
【請求項３７】
前記制御信号は前記エンジン内の弁制御に影響を及ぼす、請求項３４に記載の検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に空気中の粒子を検出することに関する。さらに詳しくは、本発明は放出物を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの燃焼装置は粒子状放出物を発生する。例えば、ジーゼルエンジンは多くの種類の車両において人気を増しつつある。一方では、粒子状放出物に関する環境上の規制が一層厳しくなりつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、ジーゼルエンジン及びその他の粒子放出機構からの放出物を最少にする要請がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、粒子状放出物を検出、監視するためのセンサである。センサはこのような放出物を示す信号を出力する。その信号は、放出物の量を指示する制御信号を出力するプロセッサ又は制御器に送られる。この信号は、放出物の放出量を最少にするように放出物を追い出す機構の制御器に送らる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、エンジン排気、及び歯槽（ａｌｖｅｏｌａｒ）析出部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）堆積留分と共に示された加重サイズ分布の数を示すグラフである。そのグラフは、理想化されたジーゼル粒子状物質（ＰＭ）数及び質量加重分布を示す。ＰＭは、任意のサイズ範囲の濃度と共に対数正規三並数サイズ分布に従う。そのサイズ範囲は、その範囲内での対応曲線の下で面積に比例する。核モード粒子は、直径０．００５ないし０．０５ミクロン（５ないし５０ｎｍ）の範囲にある。それらは、排気希釈及び冷却中に粒子を形成する金属化合物、元素状態で存在する炭素、半揮発性有機化合物及びイオウ化合物からなる。核モードは、粒子質量の１ないし２０パーセントでかつ粒子数の９０パーセント以上を通常は含む。集積モードの粒子は、直径が０．０５ないし０．５ミクロン（５０ないし５００ｎｍ）の範囲にある。主として炭素質の集塊及び吸収される物質からなっていた質量の大部分が、ここで見出される。粗モードは、直径が１ミクロンより大きい粒子からなり、５ないし２０パーセントのＰＭ質量を含む。これらの比較的大きい粒子は、シリンダ及び排気装置表面に堆積された粒子状物質の再巻込みによって形成される。
【０００６】
ＰＭ放出物は大気中の微細粒子負荷量の一因となり、また、ＥＰＡは０．０８ｇ／ｍｉｌｅの軽量車両ＰＭ放出物規格を確立し、２．５ミクロン又はそれ以下の直径を有する粒子状物質の量を制限すべき規制を公表した（新規の０．１ミクロン規格が考慮されている）。この規格に合わせるために、エンジン製造業者は低放出物エンジンを開発した。技術的改善が質量放出物を低減したが、しかし、１９９１年放出物制限要件を満たす新規エンジンは、１９８８放出物制限要件を満たす類似のエンジンと比較したとき、非常に小さな核モード粒子の数及び容積を劇的に増加したと言われている。これらの観測は、集積モードサイズ粒子ばかりではなく、核モードサイズ粒子も未来の放出物問題をもたらすことを示唆している。
【０００７】
核モード及び集積モードにおける粒子は、異なる機構によって形成されるように見える。集積モード粒子は、初めは炭素を含んでおり、エンジン・サイクル中は富んだ燃焼及び乏しい後続の酸化に関連される。他方、最も多くの核モード粒子は、排気燃焼生成物が希釈、冷却するまで、形成さえされない。それらは、硫酸、特別に燃焼された燃料、潤滑油の複雑で、十分理解されていない混合物からなる。これらの２種類の粒子の生成は、異なるエンジン運転状態の下で起こるようである。１つの状態は、炭素を含む集積モード粒子に有利な重い負荷である。別の状態は、核モード粒子の蒸気相前駆体の生成に最も有利なような軽負荷である。前駆体は、排気が大気中で冷却し、希釈するまで、気体を粒子変化にあわせない。
【０００８】
さらなる放出物規格を満たすために、ジーゼル・エンジンは燃焼制御システムに適合される必要がある。また、粒子フィルタ又はトラップを含む後処理システムが要求されるであろう。このような燃焼制御システム及び後処理装置を、エンジンからの粒子放出物を低減するように合理的に実現可能にするために、有効排気粒子センサが必要とされる。
【０００９】
粒子トラップは入手可能であるが、しかし、それらは大きく、高価で、著しく燃料経済を低下させる。燃料経済の低下は、エンジンに加えられるべき排気装置の追加の背圧による。
【００１０】
本センサ１０は、自動車スパークプラグ１１に設けられてもよい。センサのための非常に良好な高温及び高圧プラットフォームを得るために、センサはエンジンの排気管18、マニフォルド又はヘッダ２２に直接に置かれてもよい。エンジン２１が、図４に示すように、ターボ過給機１９を有する場合に、センサ１０がいくつかの粒子を解放するならばターボ過給機１９への害を回避するためにターボ過給機１９から下流に置かれてもよい。
【００１１】
センサ１０の設計は、センサの低費用及び高容積製造を与えることもある。図２に示すように、センサ設計はＳｗａｇｅｌｏｃ（登録商標）付属品１２及び／又は製造された高温セラミック両面間接続絶縁体１３及び／又はコネクタを用いてもよい。センサ１０のプローブ１４は、エンジンの排気路に置かれてもよい。プローブ１４の長さ１５及び直径１６は、検出及びエンジンのパラメータに基づいて変わることもある。プローブ１４は、非常に薄い不導体被覆又は層１７で不動態化される。この被覆又は層１７は、エンジンの運転中にプローブ１４によって集積された煤層によって電気的短絡の欠如の償いをする。用語「不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｅ）」及びその異形が本明細書において用いられているが、「不動態化（ｐａｃｉｖａｔｅ）」は「不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｅ）」に類似してもよい。不動態化材料は、ＳｉＮ４、セリウム等からなっていてもよい。プローブ１４の不動態化層の厚みは、０．０２５４ないし２．５４ｍｍ（０．００１ないし０．１００ｉｎ）でもよい。公称厚みは約０．２５４ｍｍ（０．０１ｉｎ）である。不動態化層は、プローブを高温排気ガスに曝すことによって達成されるか、あるいはエンジン燃料に加えられた材料を介してこのような層で被覆されてもよい。
【００１２】
様々な寸法を有するセンサ１０が、図３に示されている。長さ寸法１５の例は、６．３５ｍｍと３０４．８ｍｍとの（０．２５と１２ｉｎとの）間でもよい。公称寸法値１５は、約７６．２ｍｍ（３ｉｎ）ないし１０１．６ｍｍ（４ｉｎ）でもよい。厚み寸法１６の例は、０．７９ｍｍ（１／３２１ｎ）と９．５２ｍｍ（３／８ｉｎ）との間でもよい。公称寸法１６は、約３．１７５ｍｍ（１／８ｉｎ）でもよい。
【００１３】
センサ１０の実施例は、標準スパークプラグ１１（モデルは重要ではないが、Ｃｈａｍｐｉｏｎ（登録商標）ＲＪ１９ＬＭ等）でもよい。標準スパークプラグ１１は、外側電極が除去されかつ中央電極に溶接された直径約が３．１８ｍｍ（１／８ｉｎ）、長さが１０１．６ないし１５２．４ｍｍ（４ないし６ｉｎ）のステンレス鋼延長部１４を有する。センサ１０は、排気マニフォルド２２付近又はターボ過給機１９の後に装着されてもよい。電極１４は、排気流２３内の電荷過渡状態２５を記録するために、プロセッサ２６内の標準アナログ変化増幅器に接続されてもよい。電荷過渡状態は、排気流２３内の煤（粒子）濃度に直接比例するかもしれない。延長された電極１４は、非常に薄い不導体表面層１７によって不動態化されてもよいので、電極１４は排気粒子からの映像電荷を発達させるが、スパークプラグ１１のベース又は接地排気管１８に電気的に短絡されない。不動態化層１７は、電極１４上に堆積又は成長されてもよい。３０４ステンレス鋼は、４００℃（７５２°Ｆ）より高い温度で排気流２３内において数分の運転後に、この不動態化層１７を自然に成長させる。他の等級のステンレス鋼（例えば、３１６）は、不動態化層１７を自然に成長させないこともある。しかし、酸化セリウムの不動態化層１７は、有機金属化合物（約１００ｐｐｍ）をエンジン２１用燃料に加えることによって、他の等級のステンレス鋼に成長させるかもしれない。
【００１４】
層１７で電極１４を不動態化する他の方法は、耐熱性セラミック材料をスパッタ堆積すること、あるいは制御された環境下で酸化層を成長させることを含んでいてもよい。電極１４上に不動態化層を形成する目的は、電極１４とスパークプラグ１１のベースとの間で粒子形成による電気的短絡を防止することであるので、センサ１０はその映像電荷を保存して、排気流２３の活動を監視する。電極１４が不動態化層１７を有していないならば、センサ１０は電極１４に導電性煤が形成されることにより、電極がスパークプラグ１１のベースへ短絡するために、短い運転期間後に働かなる。
【００１５】
図５は、排気管１８内にセンサ１０を装着した状態を示す。排気管１８内に溶接されたステンレス鋼カラー２４があってもよい。センサ１０が異なるプローブ形式を有する他のセンサ１０と容易に交換され得るように、カラー２４は大きなネジ付き進入路を設けて製造されてもよい。外ネジを有する適用カラー又はインサート１２は、ネジ付きカラー２４に嵌合し、また、内ネジはネジ付きセンサ１０に嵌合してもよい。適合カラー１２は、ステンレス鋼及びＭａｃｏｒ（登録商標）、Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標）から得られる機械加工可能ガラス・セラミックから作られてもよい。Ｍａｃｏｒ（登録商標）アダプタ１２は、排気管１８に関して或いはカラー２４が装着される所に対しても、センサ１０を電気的及び熱的に接続又は絶縁し得る。追加のセンサ２０が、ターボ過給機１９から上流で排気マニフォルド２２に装着されてもよい。その他のセンサ３０が、ターボ過給機１９から排気管１８内でさらに下流（例えば、約２ｍ）に装着されてもよい。追加のセンサ２０及び３０は、ターボ過給機１９の効果（強いな混合物及びセンサ１０からの信号に関する持続時間のような）を検査できるようにする。長期間、ターボ過給機１９から下流の位置は、センサ１０が故障した場合にターボ過給機１９の損傷の危険性が低減されるために、良好な位置になることもある。
【００１６】
センサ１０からのライン上で排気２３内の粒子状物質の量を指示する信号２５が、プロセッサ及び／又は制御器２６に入力してもよい。プロセッサ２６は、その他の粒子センサ２０、３０、エンジンセンサ、及び燃料噴射及び吸入マニフォルドシステム２７に接続されてもよい。センサ１０、可能性としてセンサ２０、３０、システム２７及び下記のエンジンパラメータ（ライン３７を介してプロセッサ２６へ）のいくつか又はすべて（限定されない）を検出するためのエンジン２１内のセンサからの信号に基づいて、プロセッサ２６は制御情報信号２９を燃料噴射量及びタイミング、ＥＧＲパーセント、弁制御、ならびに吸入マニフォルドシステム２７等に必要に応じて供給し、エンジン２１に燃料混合物、噴射タイミング、パーセントＥＧＲ（排気ガス再循環）、弁制御等を調節することによって、粒子放出物の低減された量を放出させる。上記のエンジンパラメータは、燃料流量、ＥＧＲ（排気ガス再循環）、噴射タイミング、ニードル揚程、クランクシャフト角度、シリンダ圧力、弁位置及び揚程、マニフォルド真空、燃料／空気混合物、空気２８の吸入特性、及びエンジン２１から又はエンジン２１周りのその他の情報等である。ところで、排気２３はターボ過給機１９に入り、タービン３１を回転させ、シャフト３３を介してコンプレッサ３２を回す。コンプレッサ３２は、システム２７をより濃密状態にする到来空気２８を圧縮する。
【００１７】
センサ１０に関する初期の関心事は、過剰な煤及び非常な高温によるあり得るよごれであった。しかし、排気装置におけるセンサ１０の動作は、観測された排気２３の温度が少なくとも６７０℃（１２３８°Ｆ）に達し、排気２３のボッシュ煙数（Ｂｏｓｃｈ  ｓｍｏｋｅ  ｎｕｍｂｅｒ）が少なくとも５になった非常に重い負荷の下でのエンジン２１の動作を鑑みると信頼性がある。後者の数は、３５０ｍｇ／ｍ３の粒子質量濃度に対応する。
【００１８】
センサ１０は、排気２３の映像電荷監視を表す再現可能ｒｍｓ信号を出力してもよい。排気２３は、Ｂｏｓｃｈ煙数によって特徴付けられた排気煙に相関付けられる。センサ１０は、長期間に亘って形成された煤によって一般に品質低下しない。また、センサ１０は種々の温度において品質低下するようには見えない。
【００１９】
図６は、排気放出物の粒子状物質に基づくエンジン制御ループの一種類である。エンジン２１は、排気２３を出力することができ、その排気２３は、プロセッサの数ある要素中で増幅器３４、データ抽出器３５、出力信号調整器３６を含むプロセッサ２６への映像電荷信号２５を出力するセンサ１０によって検出される。信号２５は、リアルタイム信号をデータ抽出装置３５に出力する電荷増幅器３４に入る。データ抽出装置３５はクランクシャフト角度決定を受ける。構成部品３４、３５、３６は、エンジン制御及び性能を改善するための他のパラメータ入力を有してもよい。データ抽出装置３５からの出力は、ＰＭ濃度の電子指示を含む。この信号は信号調整器３６に入ってもよい。信号調整器３６は、エンジンデータ（例えば、タイミング、温度、パーセントＥＧＲ、弁位置、その他のエンジン情報）のその他の様々な入力に基づいてエンジン制御電圧信号２９（エンジンタイミング、パーセントＥＧＲ、弁制御等のための）をエンジン２１の燃料噴射及びマニフォルドシステム２７に供給する。
【００２０】
本発明は少なくとも１つの図示実施例について記載されてきたが、多くの変更及び修正が本明細書を読んだときに当業者であれば明らかになるであろう。したがって、本発明においては、すべてのこのような変更及び修正を含むように従来技術を考慮して添付特許請求の範囲ができるだけ広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】アルベオラ堆積と共に示された通常のエンジン排気質量及び数の加重サイズ分布を示すグラフである。
【図２】粒子状物質（ＰＭ）センサの基本的構成部品を示す。
【図３】ＰＭセンサの側面図である。
【図４】エンジン内でのＰＭセンサの実施を示す。
【図５】排気管内にＰＭセンサを挿入した状態を示す。
【図６】エンジン放出物の粒子状物質を含むエンジンのパラメータに基づくエンジン制御用ループである。
【図１】
2007519899.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007519899.tif 000007
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月5日(2006.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取付け台と、
前記取付け台に配置された絶縁体（１３）と、
前記絶縁体に配置された電極（１４）と、
前記絶縁体に配置されかつ前記電極に接続された端子と、
を備え、前記電極が絶縁フィルム（１７）で被覆されている、粒子状物質センサ。
【請求項２】
導電性ロッド（１４）を保持する手段と、
前記導電性ロッド上に不動態化層（１７）を形成する手段と、
前記導電性ロッドに電気的に接続する手段と、
を備え、不導体化層（１７）が、酸化鋼、酸化セリウム及びセラミックからなるグループから選択された材料である粒子状物質検出手段。
【請求項３】
細長い金属部品を形成することと、
前記細長い金属部品を絶縁体（１３）内に置くことと、
前記細長い金属部品に接続された端子を形成することと、
前記細長い金属部品上に絶縁薄フィルム（１７）を形成すること、
を備えるセンサの製造方法。
【請求項４】
ベース、前記ベースに配置された絶縁体（１３）、前記絶縁体に配置された細長い金属部品（１４）、及び前記細長い金属部品上に形成された絶縁フィルム（１７）を有する粒子状物質センサ（１０）であって、エンジン（２１）の排気口に置かれた粒子状物質センサと、
粒子状物質センサに接続されたプロセッサ（２６）と、
を備え、プロセッサが、排気中の粒子状物質の量に影響を与えるように、エンジンに信号を提供する検出器。  
【国際調査報告】
2007519899.tif 000009
2007519899.tif 000010
2007519899.tif 000011
2007519899.tif 000012
2007519899.tif 000013