(57)【要約】【課題】  応答性および精度が高いＰＭ検出装置を提供する。【解決手段】  第一酸素センサ２０を覆う多孔体２４の第一酸素センサ２０とは反対側には触媒層２５が設置されている。排気中のＰＭは触媒層２５と接触することにより燃焼する。また、第二酸素センサ３０は微細多孔体部３４により覆われている。これにより、第二酸素センサ３０に拡散する排気に含まれるＰＭは微細多孔体部３４により阻止される。そのため、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０には、ＰＭは拡散せず、気体成分のみが拡散する。したがって、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０ではほぼ同時に酸素の濃度が検出され、応答性が向上する。また、第一酸素センサ２０で検出される酸素の濃度と第二酸素センサ３０で検出される酸素の濃度との間には、ＰＭの燃焼に消費される酸素の量だけ差が生じる。これにより、排気に含まれるＰＭの含量を精密に検出することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータを有している基板と、
前記基板に設置されている第一酸素センサおよび第二酸素センサと、
前記第一酸素センサを覆い通過する気体の拡散抵抗となる拡散抵抗体と、
前記拡散抵抗体の気体入口側に形成され、粒子状物質の燃焼を促進する触媒層と、
前記第二酸素センサを覆い気体成分の通過を許容し粒子状物質の通過を阻害する微細多孔体と、
前記第一酸素センサで検出された酸素濃度と前記第二酸素センサで検出された酸素濃度とから排気中に含まれる粒子状物質量を検出する演算部と、
を備えることを特徴とする粒子状物質検出装置。
【請求項２】
前記微細多孔体は、ゼオライト膜で形成されていることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項３】
前記微細多孔体は、アモルファスシリカにより形成される膜であることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項４】
前記微細多孔体は、シリカ−ジルコニア膜で形成されていることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質検出装置。
【請求項５】
前記触媒層はＰｔ、ＰｄまたはＩｒの少なくとも一つを含む貴金属と、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２またはＺｒＯ２の少なくとも一つを含む固体酸とからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の粒子状物質検出装置。
【請求項６】
前記第一酸素センサおよび前記第二酸素センサは、前記ヒータにより、前記排気中に含まれる粒子状物質量を検出するとき４５０℃から６００℃に加熱され、所定の期間が経過するごとに６００℃から８００℃に加熱されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の粒子状物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状物質検出装置に関し、特に内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という。）の排気に含まれる粒子状物質（以下、粒子状物質を「ＰＭ」という。）を検出するＰＭ検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気に含まれるＰＭの排出量は年々規制が強化されている。従来、ディーゼルエンジンの改良により規制への対応を図っていたものの、規制強化にともないエンジン側の改良だけでは対応が困難になっている。そこで、排気系に排気フィルタを設置し、排気フィルタにより排気中のＰＭを捕集する技術が開発されている。排気フィルタを用いて排気中のＰＭを捕集する場合、ＰＭの捕集にともなってフィルタの目詰まりが進行する。そのため、排気フィルタは定期的にＰＭを除去、すなわち再生する必要がある。また、排気フィルタが劣化するとＰＭが大気中に漏れてしまうため、これを検出してフィルタ交換を促す必要がある。
【０００３】
排気フィルタに捕集されたＰＭを除去する際の再生状態は、排気管に設置されたＰＭ検出装置によって排気中のＰＭ量を検出することにより決定される（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ０３／００６９７６号国際公開公報
【特許文献２】特開２００２−２８５８２２号公報
【特許文献３】ＷＯ０３／０４６５３４号国際公開公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１または特許文献２に開示されているＰＭ検出装置は、所定の電圧が印加された電極の間にＰＭが堆積することにより生じるインピーダンスの変化、あるいは帯電したＰＭの放電量からＰＭ量を測定している。しかしながら、排気中には水分が含まれるため、排気中の水分量が変化することにより誘電率が変化する。そのため、インピーダンスあるいは放電量を用いるＰＭ量の測定の場合、精度が悪化しやすいという問題がある。また、電極の周囲に酸やアルカリが存在すると、それらを通して電荷がリークし、精度の悪化を招くという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献３に開示されているＰＭ検出装置は、二つの酸素センサをそれぞれ拡散抵抗の異なる多孔体で覆っている。これにより、二つの酸素センサまで拡散する排気中の気体成分とＰＭ成分とを分離し、各酸素濃度を検出している。しかしながら、ＰＭは気体成分と比較して拡散が遅く、難燃性である。そのため、検出時の精度あるいは応答性が低いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、応答性および精度が高いＰＭ検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明では、第一酸素センサは通過する気体の拡散抵抗となる拡散抵抗体により覆われ、さらに第一酸素センサを覆う拡散抵抗体には触媒層が形成されている。触媒層は、粒子状物質の燃焼を促進する。一方、第二酸素センサは、気体成分のみを通過する微細多孔体で覆われている。これにより、難燃性で拡散しにくいＰＭは、第一酸素センサを覆う拡散抵抗体に形成されている触媒層で燃焼する。そのため、第一酸素センサには、燃焼後の気体成分のみが拡散する。一方、微細多孔体はＰＭを阻止し気体成分のみを第二酸素センサへ通過させる。そのため、第二酸素センサには、ＰＭは到達しない。その結果、第一酸素センサおよび第二酸素センサにはいずれも気体成分のみが拡散する。したがって、応答性を高めることができる。また、第一酸素センサ側に触媒層を形成することにより、触媒層は表面積が拡大する。そのため、難燃性のＰＭは確実に燃焼する。したがって、第一酸素センサで検出される酸素量の測定精度を高めることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、微細多孔体はゼオライト膜である。ゼオライト膜に形成される微細孔はＰＭに比較して十分に小さい。したがって、微細孔を容易に形成できるとともに、ＰＭの通過を確実に防止することができる。
また、請求項３または４記載の発明では、微細多孔体はアモルファスシリカまたはシリカ−ジルコニア膜であってもよい。
【００１０】
請求項５記載の発明では、触媒層はＰｔ、ＰｄまたはＩｒの少なくとも一つを含む貴金属と、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２またはＺｒＯ２の少なくとも一つを含む固体酸とからなる。
請求項６記載の発明では、第一酸素センサまたは第二酸素センサはヒータにより加熱される。排気中に含まれるＰＭ量を検出するとき、ヒータは第一酸素センサおよび第二酸素センサを４５０℃から６００℃に加熱する。これにより、触媒層では確実にＰＭを燃焼させることができる。また、所定の期間が経過するごとに、第一酸素センサおよび第二酸素センサは６００℃から８００℃に加熱される。これにより、周囲に付着したＰＭは燃焼し、ＰＭの堆積が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の一実施形態によるＰＭ検出装置１０を示す。ＰＭ検出装置１０は、ディーゼルエンジンの排気系に設置される。本実施形態では、例えば排気フィルタの再生度合や劣化を判定するため、ＰＭ検出装置１０は図示しない排気フィルタの排気出口側に設置される。ＰＭ検出装置１０は、例えば排気管などエンジンからの排気に晒される部位に設置される。なお、例えば検出したＰＭ量によりディーゼルエンジンを制御するとき、ＰＭ検出装置１０は図示しないディーゼルエンジンと排気フィルタとの間に設置される。
【００１２】
ＰＭ検出装置１０は、ヒータ１１を内蔵している基板１２を備えている。ヒータ１１は、通電することにより発熱し、基板１２およびその周囲を加熱する。基板１２は、例えばアルミナなどの耐熱性の材料から形成されている。基板１２の一方の端部には固体電解質部材１３が設置されている。固体電解質部材１３は、酸化物イオンを透過する固体電解質から形成されている。
【００１３】
ＰＭ検出装置１０は、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０を備えている。第一酸素センサ２０は、固体電解質部材１３と、固体電解質部材１３を挟んで配置される電極２１および電極２２とから構成されている。同様に、第二酸素センサ３０は、固体電解質部材１３と、固体電解質部材１３を挟んで配置される電極３１と電極３２とから構成されている。第一酸素センサ２０の電極２１および電極２２、ならびに第二酸素センサ３０の電極３１および電極３２は、それぞれＰｔから形成されている。これにより、電極２１、電極２２、電極３１および電極３２は、例えば排気中の気体成分として含まれるＣＯやＨＣなどの可燃成分を燃焼させるための触媒としても機能する。
【００１４】
第一酸素センサ２０は第一電流検出部２３に接続している。また、第二酸素センサ３０は第二電流検出部３３に接続している。第一酸素センサ２０の電極２１と電極２２との間、ならびに第二酸素センサ３０の電極３１と電極３２との間には所定の電圧が印加される。第一酸素センサ２０の電極２１と電極２２との間を通過する気体成分の酸素濃度によって、電極２１と電極２２との間を流れる電流が変化する。第一電流検出部２３は、電極２１と電極２２との間を流れる電流を検出する。同様に、第二酸素センサ３０の電極３１と電極３２との間を通過する気体成分の酸素濃度によって、電極３１と電極３２との間を流れる電流が変化する。第二電流検出部３３は、電極３１と電極３２との間を流れる電流を検出する。第一電流検出部２３および第二電流検出部３３は、演算部４０に接続している。第一電流検出部２３および第二電流検出部３３で検出された電流の値は、演算部４０に出力される。
【００１５】
演算部４０は、第一電流検出部２３または第二電流検出部３３で検出された電流の値から第一酸素センサ２０における酸素濃度および第二酸素センサ３０における酸素濃度をそれぞれ算出する。演算部４０は、例えば図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータにより構成されている。なお、演算部４０は、図示しないディーゼルエンジンを制御するＥＣＵであってもよい。演算部４０は、第一酸素センサ２０における酸素濃度と第二酸素センサ３０における酸素濃度の違いから、排気に含まれるＰＭ量を算出する。
【００１６】
基板１２と固体電解質部材１３との間には、空気を導入するための空気導入孔１４が形成されている。第一酸素センサ２０または第二酸素センサ３０で消費される酸素が不足するとき、空気導入孔１４を流れる空気から第一酸素センサ２０または第二酸素センサ３０へ酸素が補給される。
【００１７】
第一酸素センサ２０を構成する電極２１は、拡散抵抗体である多孔体部２４により覆われている。多孔体部２４は、排気に含まれる酸素や二酸化炭素などの気体成分の通過を許容する。これとともに、多孔体部２４は第一酸素センサ２０の電極２１への排気の流れを制御する。また、多孔体部２４の電極２１とは反対側、すなわち排気の入口側には、触媒層２５が形成されている。触媒層２５は、例えばγＡｌ２Ｏ３−Ｐｔなどの貴金属−固体酸からなる触媒で形成されている。なお、触媒層２５は、Ｐｔ、ＰｄまたはＩｒの少なくとも一つを含む貴金属と、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２またはＺｒＯ２の少なくとも一つを含む固体酸とからなる触媒で形成することができる。多孔体部２４および触媒層２５は、例えばディップコートおよび焼成などにより形成されている。
【００１８】
第二酸素センサ３０を構成する電極３１は、分子ふるいを構成する微細多孔体部３４により覆われている。微細多孔体部３４は、排気に含まれる気体成分のみの通過を許容し、ＰＭの通過を阻害する。すなわち、微細多孔体部３４を設置することにより、ＰＭは第二酸素センサ３０の電極３１に到達することができない。微細多孔体部３４は、ゼオライト膜により形成されている。ゼオライト膜は、形成される孔の径がＰＭに比較して十分に小さい。そのため、ゼオライト膜で微細多孔体部３４を形成することにより、ゼオライト膜の孔径を制御することなく、ＰＭの通過を阻害する微細多孔体部３４を容易に形成することができる。なお、微細多孔体部３４は、ゼオライト膜に代えてアモルファスシリカにより形成される膜、あるいはシリカ−ジルコニア膜であってもよい。微細多孔体部３４は、例えばディップコートおよび焼成などにより形成されている。
【００１９】
次に、上記構成によるＰＭ検出装置１０の作動について図２に基づいて説明する。
ＰＭ量を検出するとき、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０はヒータ１１により加熱される。ヒータ１１の温度は、演算部４０に設置されている図示しない温度調節部によって調節される。このとき、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０は、４５０℃から６００℃に加熱される。これにより、第一酸素センサ２０を覆う触媒層２５も同様に４５０℃から６００℃に加熱される。排気は、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０へ拡散する。
【００２０】
第一酸素センサ２０に拡散する排気は、まず触媒層２５を通過する。これにより、排気中に含まれるＰＭおよび可燃成分は触媒層２５と接触して燃焼する（Ｓ１０１）。触媒層２５は、多孔体部２４を覆っているため、排気と接触する表面積が大きい。そのため、ＰＭおよび可燃成分は、触媒層２５と接触することにより確実に燃焼する。このとき触媒層２５で燃焼する可燃成分は、例えば排気中に含まれるＣＯや未燃焼のＨＣなどである。
【００２１】
触媒層２５を通過することにより排気に含まれるＰＭは燃焼し、通過した排気に固体成分は含まれない。そのため、気体成分のみが多孔体部２４を通過する。これにより、排気に残存する酸素は多孔体部２４を拡散して通過する（Ｓ１０２）。多孔体部２４を通過した酸素は、第一酸素センサ２０に拡散する。これにより、第一酸素センサ２０において排気中に残存する酸素の濃度が検出される（Ｓ１０３）。酸素の濃度は、第一酸素センサ２０の電極２１と電極２２との間に所定の電圧を印加しているとき、固体電解質部材１３を経由して電極２１と電極２２との間を流れる電流から算出される。第一酸素センサ２０の電極２１と電極２２との間を流れる電流は、第一電流検出部２３により検出される。第一電流検出部２３により検出された電流の値は、演算部４０に出力される。演算部４０は、第一電流検出部２３で検出された電流の値により第一酸素センサ２０における酸素濃度を算出する。
【００２２】
第一酸素センサ２０へ排気が拡散するとき、同時に第二酸素センサ３０へも排気が拡散する。第二酸素センサ３０へ拡散する排気は、まず微細多孔体部３４を通過する。微細多孔体部３４に形成されている微細孔の孔径は、ＰＭに比較して十分に小さい。そのため、排気に含まれるＰＭは、微細多孔体部３４を通過することができない（Ｓ２０１）。その結果、排気に含まれる気体成分のみが微細多孔体部３４を通過する。
【００２３】
微細多孔体部３４を通過した排気に含まれる気体成分は、微細多孔体部３４を拡散し第二酸素センサ３０に拡散する（Ｓ２０２）。第二酸素センサ３０の電極３１はＰｔから形成されている。そのため、排気に含まれる可燃成分は第二酸素センサ３０の電極３１と接触することにより燃焼する（Ｓ２０３）。そして、可燃成分が燃焼した後において排気中に残存する酸素の濃度が第二酸素センサ３０によって検出される（Ｓ２０４）。酸素の濃度の検出は、第二酸素センサ３０の電極３１と電極３２との間に所定の電圧を印加しているとき、固体電解質部材１３を経由して電極３１と電極３２との間を流れる電流から算出される。第二酸素センサ３０の電極３１と電極３２との間を流れる電流は、第二電流検出部３３により検出される。第二電流検出部３３により検出された電流の値は、演算部４０に出力される。演算部４０は、第二電流検出部３３で検出された電流の値により第二酸素センサ３０における酸素濃度を算出する。
【００２４】
第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０には、同一量のＰＭを含有する排気がほぼ同時に拡散すると考えられる。そのため、第一酸素センサ２０の触媒層２５で可燃成分の燃焼に消費される酸素量と、第二酸素センサ３０の電極３１で可燃成分の燃焼に消費される酸素量とはほぼ同一である。
【００２５】
一方、第一酸素センサ２０を覆う触媒層２５では、可燃成分だけでなくＰＭが燃焼している。そのため、第一酸素センサ２０では、可燃成分およびＰＭの燃焼に消費された後における酸素の濃度が検出される。これに対し、第二酸素センサ３０を覆う微細多孔体部３４は、ＰＭの通過を阻害する。そのため、第二酸素センサ３０側ではＰＭは燃焼せず、第二酸素センサ３０では可燃成分の燃焼にのみ消費された後における酸素の濃度が検出される。すなわち、第一酸素センサ２０と第二酸素センサ３０とで検出される酸素の濃度は、ＰＭの燃焼に消費された分だけ異なる。すなわち、第一酸素センサ２０で検出される酸素濃度は、第二酸素センサ３０で検出される酸素濃度よりも小さくなる。その結果、演算部４０では、第一電流検出部２３で検出された電流の値から算出される第一酸素センサ２０における酸素の濃度と、第二電流検出部３３で検出された電流の値から算出される第二酸素センサ３０における酸素の濃度とから排気に含まれるＰＭの含有量を算出することができる（Ｓ１１０）。
以上の手順により、ＰＭ検出装置１０によるＰＭの検出が実行される。
【００２６】
演算部４０は、ＰＭ検出装置１０によるＰＭの検出が所定の期間実行されると、ヒータ１１を６００℃から８００℃に加熱する。これにより、ＰＭ検出装置１０は全体として温度が上昇する。ＰＭ検出装置１０の温度上昇にともない、ＰＭ検出装置１０に付着したＰＭ、および微細多孔体部３４で付着したＰＭは燃焼する。その結果、微細多孔体部３４の目詰まりが防止される。
【００２７】
以上、説明したように本発明の一実施形態によると、第一酸素センサ２０側に触媒層２５を設置することにより第一酸素センサ２０に拡散する排気に含まれるＰＭは燃焼する。これに対し、第二酸素センサ３０側には微細多孔体部３４を設置することにより第二酸素センサ３０に拡散する排気に含まれるＰＭは除去される。そのため、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０には、ＰＭは拡散せず、気体成分のみが拡散する。したがって、第一酸素センサ２０および第二酸素センサ３０ではほぼ同時に酸素の濃度を検出することができ、応答性を高めることができる。また、第一酸素センサ２０で検出される酸素の濃度と第二酸素センサ３０で検出される酸素の濃度との間には、ＰＭの燃焼に消費される酸素の量だけ差が生じる。これにより、排気に含まれるＰＭの含量を精密に検出することができる。したがって、測定精度を高めることができる。
【００２８】
また、本発明の一実施形態では、触媒層２５が多孔体部２４を覆っている。そのため、多孔体部２４に拡散する排気と触媒層２５との接触面積は拡大する。これにより、排気に含まれるＰＭおよび可燃成分は触媒層２５により確実に燃焼する。したがって、第一酸素センサ２０における酸素濃度の検出精度を高めることができる。
【００２９】
以上、説明した本発明の一実施形態では、第二酸素センサ３０の電極３１が微細多孔体部３４により直接覆われている構成について説明した。しかし、第二酸素センサ３０の電極３１に拡散抵抗体を設置し、拡散抵抗体の電極３１とは反対側に微細多孔体部３４を設置する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態によるＰＭ検出装置を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＰＭ検出装置の作動の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ＰＭ検出装置、１１  ヒータ、１２  基板、２０  第一酸素センサ、２４  多孔体部（拡散抵抗体）、２５  触媒層、３０  第二酸素センサ、３４  微細多孔体部、４０  演算部
【図１】
2005337782.tif 000003
【図２】
2005337782.tif 000004