(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に用いられる管の内面のコーキング量を検出するための内燃機関用のコーキングセンサであって、
前記管内に互いに対向するように設けられ、かつ、表面が絶縁材料で被覆された複数の電極と、
これら複数の電極間の抵抗値および静電容量の少なくとも一方の変化を表すパラメータにより、前記コーキング量を検出するコーキング検出手段と、
を備え、
前記パラメータは、前記複数の電極間にパルス状の電圧が印加されたときに前記複数の電極間に生じる電圧が収束するときの収束時間であることを特徴とする内燃機関用のコーキングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に用いられる管の内面のコーキング量（ススの堆積量）を検出するための内燃機関用のコーキングセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、通常、燃料が燃焼すると、排気ガス中に含まれるススが排気管などの内面に付着する。このススは、排気ガスが所定温度以上であれば、排気ガスの熱によって燃焼するものの、例えば内燃機関の冷間始動直後など、排気ガスの温度が低い場合には、ススが燃焼せず、排気管の内面に付着し堆積する。このような状態で内燃機関の始動を繰り返すと、排気管に設けられる三元触媒にススが付着・堆積し、三元触媒の性能が低下したり、排気管および三元触媒における排気抵抗が大きくなったりする。また、排気ガス中に含まれる未燃焼成分の炭化水素を吸着させるための炭化水素吸着装置が排気管に設けられている場合、ススが吸着剤のゼオライトの細孔に詰まることによって、これを劣化させることがある。このため、付着・堆積したススを燃焼させるために、炭化水素吸着装置を高温にするよう内燃機関の制御を行ったり、炭化水素吸着装置のゼオライトの劣化の度合いを間接的に判断したり、さらには、排気管内のススの堆積状況を運転者に知らせたりするなどのために、排気管の内面のコーキング量を検出することが必要となる。
【０００３】
このような排気管内のコーキング量を検出する方法として、例えば内燃機関を停止させた状態で、内燃機関から排気管を取り外し、これの重量を直接計測することで、使用前との重量差からコーキング量を検出する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなコーキング量の検出方法では、そのコーキング量を正確に検出することは可能であるものの、検出時には、上述したように、排気管を内燃機関から取り外さなければならないため、手間がかかるのみならず、内燃機関の作動中にコーキング量を検出することは不可能である。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の作動中であっても、管の内面のコーキング量を正確に検出することのできる内燃機関用のコーキングセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、内燃機関（実施形態における（以下、この項において同じ）内燃機関１）に用いられる管（排気管２）の内面のコーキング量を検出するための内燃機関用のコーキングセンサ１０であって、管（排気管２）内に互いに対向するように設けられ、かつ、表面が絶縁材料で被覆された複数の電極１３、１３と、これら複数の電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓの少なくとも一方の変化を表すパラメータにより、コーキング量を検出するコーキング検出手段（センサ回路１５）と、を備え、パラメータは、複数の電極１３、１３間にパルス状の電圧Ｖｉｎが印加されたときに複数の電極１３、１３間に生じる電圧Ｖｓが収束するときの収束時間Ｔｒｉｓｅであることを特徴とする。
【０００７】
このコーキングセンサによれば、管内に互いに対向するように設けられ、かつ、表面を絶縁材料で被覆した電極に、ススが付着・堆積することにより、その付着・堆積量に応じて、電極間の抵抗値および静電容量が変化するため、電極間の抵抗値および静電容量の少なくとも一方の変化を表すパラメータによって、管内のコーキング量を検出することが可能となる。つまり、ススは、管内面および電極のいずれにも、ほぼ同一の傾向をもって付着・堆積するため、電極のコーキング量を上記パラメータに基づきコーキング検出手段によって検出することにより、管内面のコーキング量を正確に検出することができる。また、管の重量を直接計測する従来の検出方法と異なり、管を内燃機関などから取り外すことなく、管内のコーキング量を簡易かつ内燃機関の作動中に検出することができる。また、各電極の表面が絶縁材料で被覆されているので、電極間に付着・堆積したススによって電極間が短絡することはない。
また、パルス状の電圧（以下、本明細書において「パルス電圧」という）を電極間に印加したときに電極間に生じる電圧は、所定の値に収束し、この収束するときの収束電圧および収束時間は、電極間の抵抗値および静電容量の変化をそれぞれ良好に反映する。したがって、上記収束時間をパラメータとすることにより、管内面のコーキング量を良好に検出することができる。
【００１３】
なお、本明細書において、収束電圧とは、電極間にパルス状の電圧を印加したときに電極間に生じる電圧が一定の値に収束するときのその値の電圧を意味し、一方、収束時間とは、前記印加によって電極間に生じる電圧が、収束電圧に対する所定の割合に達するまでの立ち上がり時間を意味する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による内燃機関用のコーキングセンサを排気管に組み込んだ状態の概略構成を示す。同図に示すように、内燃機関１には、排気ガスを外部に排出するための排気管２が、図示しない排気マニホルドを介して接続されている。この排気管２の途中には、三元触媒３が設けられており、加えてこの三元触媒３の下流側に排気ガス中の未燃焼成分である炭化水素を吸着させるための炭化水素吸着装置４が設けられている。また、排気管２の途中には、炭化水素吸着装置４の上流側に、排気管２の内面のコーキング量を検出するためのコーキングセンサ１０が設けられている。コーキングセンサ１０や内燃機関１などは、ＥＣＵ１１に電気的に接続されており、このＥＣＵ１１によって、コーキングセンサ１０による検出結果が運転者に報知されるとともに、内燃機関１が制御される。
【００１６】
三元触媒３は、自身が排気ガスの熱で加熱され、所定温度（例えば３００℃）以上で活性化することにより、内燃機関１から排出された排気ガス中の有害物質（炭化水素、一酸化炭素および窒素化合物）を、酸化・還元作用により浄化するものである。しかし、内燃機関１の冷間始動時点から約３０〜４０秒間は、三元触媒３が活性化しない。このため、有害物質のうち未燃焼成分である炭化水素が外部に排出されてしまうのを防止するために、三元触媒３を通過した炭化水素を、炭化水素吸着装置４において吸着させている。
【００１７】
炭化水素吸着装置４は、排気ガスの流出方向に沿って設けられた、炭化水素の吸着剤としてのゼオライト１２を有している。このゼオライト１２は、表面に多数の細孔（図示せず）を有しており、これらの細孔に炭化水素の分子を入り込ませることで、炭化水素を吸着させる。なお、ゼオライト１２は、排気ガスによって所定温度以上（例えば１００〜２５０℃）に加熱されると、一旦吸着した炭化水素を脱離させるようになっている。
【００１８】
図２に示すように、コーキングセンサ１０は、所定間隔をあけ互いに対向するように配置された１対の電極１３、１３と、これらの電極１３、１３を支持する電極支持体１４と、電極支持体１４に内蔵されたセンサ回路１５（コーキング検出手段、図４参照）とを備えている。各電極１３は、導電性および耐熱性を有する、例えば銅合金板などで構成されており、その表面は、図示しない絶縁材料で被覆されている。
【００１９】
また、上記１対の電極１３、１３を、図３に示すように、櫛歯状に形成してもよい。この場合、各電極１３の互いに対向する部分を、櫛歯状に形成するとともに、相互にかみ合いかつ所定間隔をあけた状態で、耐熱性を有する絶縁材料からなる基板（図示せず）上に配置する。なお、このような櫛歯状の電極１３、１３を作製する場合には、矩形状の金属プレートを上記基板上に固定し、エッチングにより図３に示す間隙１３ａを形成した後、金属プレートの表面を絶縁材料でコーティングするようにしてもよい。このような作製方法により、櫛歯状の電極１３、１３を、きわめて容易に作製することができる。
【００２０】
電極支持体１４は、全体が耐熱性を有する材料からなり、図２に示すように、上記センサ回路１５を内蔵した円筒状の本体部１４ａと、本体部１４ａの上面に突設され、上記電極１３、１３をその下端部で固定し支持する円柱状の支持部１４ｂと、本体部１４ａの下面に突設され、センサ回路１５の端子を上記ＥＣＵ１１に電気的に接続するための接続口（図示せず）を有する円柱状の接続部１４ｃと、により構成されている。支持部１４ｂに支持された両電極１３、１３は、支持部１４ｂ内に通された２本の接続線１６、１６により、図４に示すように、本体部１４ａ内のセンサ回路１５に電気的に接続されている。
【００２１】
センサ回路１５は、それぞれ１対の入力端子１７、１７および出力端子１８、１８を有しており、各入力端子１７および出力端子１８が、上記ＥＣＵ１１に電気的に接続されている。センサ回路１５は、後述する所定の電圧が入力端子１７、１７に印加されることより、電極１３、１３間の抵抗値および静電容量の少なくとも一方の変化を表す後述するパラメータの電気信号を、出力端子１８から出力するようになっている。
【００２２】
このように構成されたコーキングセンサ１０は、電極１３、１３および支持部１４ｂが排気管２の内部に挿入されるように、排気管２に取り付けられている。
【００２３】
図５（ａ）は、コーキングセンサ１０の等価回路を示す。同図に示す入力端子１７、１７に、所定の電圧を印加したときには、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓは、電極１３の表面に付着・堆積したコーキング量に応じて、同図（ｂ）に示すように変化する。すなわち、抵抗値Ｒｓは、電極１３のコーキング量が増加するに従って徐々に低下し、所定範囲Ｍｒ内で大きく低下し、さらにその所定範囲Ｍｒを越えると再度徐々に低下する。一方、静電容量Ｃｓは、電極１３のコーキング量が増加するに従って徐々に増大し、所定範囲Ｍｃ内で大きく増大し、さらにその所定範囲Ｍｃを越えると再度徐々に増大する。
【００２４】
なお、コーキングセンサ１０は、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓが、センサ回路１５内のハーネスの抵抗値Ｒｈおよびハーネスによる寄生容量Ｃｐよりもきわめて大きくなるように構成されている。したがって、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓは、上記抵抗値Ｒｈおよび寄生容量Ｃｐに影響を受けることなく、電極１３、１３のコーキング量に応じて変化する。
【００２５】
上記のように構成されたコーキングセンサ１０によれば、排気管２内に互いに対向するように設けられ、かつ、表面を絶縁材料で被覆した電極１３、１３に、ススが付着・堆積することにより、その付着・堆積量に応じて、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓが変化する。これにより、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓの少なくとも一方の変化を表すパラメータによって、排気管２内のコーキング量を検出することが可能となる。つまり、ススは、排気管２の内面および電極１３、１３のいずれにも、ほぼ同一の傾向をもって付着・堆積するため、電極１３、１３のコーキング量を上記パラメータに基づきセンサ回路１５によって検出することにより、排気管２内のコーキング量を正確に検出することができる。また、実施形態のように、コーキングセンサ１０を炭化水素吸着装置４に近接した位置に設けた場合には、炭化水素吸着装置４のゼオライト１２の劣化をも間接的に判断することが可能となる。
【００２６】
さらに、排気管２の重量を直接計測する従来の検出方法と異なり、排気管２を内燃機関１から取り外すことなく、排気管２内のコーキング量を簡易かつ内燃機関１の作動中に検出することができる。さらにまた、各電極１３の表面が絶縁材料で被覆されているので、電極１３、１３間に付着・堆積したススによって電極１３、１３間が短絡することを、確実に防止することができる。
【００２７】
また、図５（ｂ）に示すように、コーキング量に応じて大きく変化する、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓのそれぞれのコーキング量の所定範囲Ｍｒ、Ｍｃは、相互に合致するのではなく、一部が重なり合うようになっている。したがって、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓの両方を利用して、コーキング量を検出することにより、抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓのいずれか一方のみを利用して検出する場合に比べて、コーキング量を広範囲に亘って正確に検出することができる。
【００２８】
次に、図６〜図９を参照して、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓの変化を、種々のパラメータによって検出する場合について説明する。以下の説明では、▲１▼電極間の電圧、▲２▼発振器による発振周波数、および▲３▼電極間の収束電圧および収束時間、をパラメータとする場合について、順に説明する。
【００２９】
▲１▼電極間の電圧をパラメータとした場合
図６（ａ）は、電極１３、１３間に所定の直流電圧を印加する場合のコーキングセンサ１０の等価回路図を模式的に示す。この場合の電極１３、１３は、抵抗として機能し、また、抵抗Ｒｉは電極１３、１３に直列に接続した、センサ回路１５内の抵抗である。このような回路において、入力端子１７、１７を介して、電極１３、１３に所定の直流電圧を印加すると、これによって電極１３、１３間に生じる電圧Ｖｓは、電極１３、１３の表面に付着・堆積したコーキング量が増加するに従って低下する。具体的には、電圧Ｖｓは、図６（ｂ）に示すように、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って徐々に低下し、所定範囲Ｍｒ内で大きく低下し、さらにその所定範囲Ｍｒを越えると再度徐々に低下する。
【００３０】
つまり、上記所定の直流電圧を電極１３、１３間に印加することによって電極１３、１３間に生じる電圧Ｖｓの変化は、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓの変化にほぼ合致し、その抵抗値Ｒｓを良好に反映する。したがって、上記印加によって電極１３、１３間に生じる電圧Ｖｓをパラメータとすることにより、排気管２の内面のコーキング量を良好に検出することができる。
【００３１】
▲２▼発振器による発振周波数をパラメータとした場合
図７（ａ）は、センサ回路１５に発振器１９を組み込んだ場合のコーキングセンサ１０の等価回路図を模式的に示す。この発振器１９は、電極１３、１３間の静電容量Ｃｓに応じた発振周波数ｆｏｓｃの信号を、出力端子１８、１８から出力するように構成されている。このような回路において、発振器１９による発振周波数ｆｏｓｃは、電極１３、１３の表面に付着・堆積したコーキング量が増加するに従って大きくなる。具体的には、発振周波数ｆｏｓｃは、図７（ｂ）に示すように、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って徐々に増大し、所定範囲Ｍｃ内で大きく増大し、さらにその所定範囲Ｍｃを越えると再度徐々に増大する。
【００３２】
つまり、発振器１９によって出力される発振周波数ｆｏｓｃの変化は、電極１３、１３間の静電容量Ｃｓの変化にほぼ合致し、その静電容量Ｃｓを良好に反映する。したがって、上記発振周波数ｆｏｓｃをパラメータとすることにより、排気管２の内面のコーキング量を良好に検出することができる。
【００３３】
なお、上記発振器１９は、電極１３、１３間の静電容量Ｃｓに応じた発振周波数の信号を出力するものに限定されるものではなく、この信号に代えて、またはこの信号とともに、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓに応じた発振周波数の信号を出力するように構成してもよい。この場合には、発振周波数の変化が、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓの変化にほぼ合致し、その抵抗値Ｒｓを良好に反映する。その結果、排気管２の内面のコーキング量をより一層良好に検出することができる。なお、発振器を、センサ回路１５の外部、例えばＥＣＵ１１に設けるようにしてもよい。
【００３４】
▲３▼電極間の収束電圧および収束時間をパラメータとした場合
図８（ａ）は、電極１３、１３間に所定の矩形状のパルス電圧Ｖｉｎを印加する場合のコーキングセンサ１０の等価回路図を模式的に示す。このような回路において、入力端子１７、１７を介して、電極１３、１３間に上記所定のパルス電圧Ｖｉｎを印加すると、これによって電極１３、１３間には、電極１３、１３の表面に付着・堆積したコーキング量に応じて、所定の値に収束する電圧Ｖｓが生じる。この電圧Ｖｓの収束電圧Ｖｓａｔは、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って低下する。具体的には、収束電圧Ｖｓａｔは、図９に示すように、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って徐々に低下し、所定範囲Ｍｒ内で大きく低下し、さらにその所定範囲Ｍｒを越えると再度徐々に低下する。一方、収束時間Ｔｒｉｓｅは、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って大きくなる。具体的には、収束時間Ｔｒｉｓｅは、図９に示すように、電極１３、１３のコーキング量が増加するに従って徐々に増大し、所定範囲Ｍｃ内で大きく増大し、さらにその所定範囲Ｍｃを越えると再度徐々に増大する。
【００３５】
つまり、上記所定のパルス電圧を電極１３、１３に印加したときに電極１３、１３間に生じる電圧Ｖｓが収束するときの収束電圧Ｖｓａｔおよび収束時間Ｔｒｉｓｅの変化は、電極１３、１３間の抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓの変化にそれぞれほぼ合致し、抵抗値Ｒｓおよび静電容量Ｃｓをそれぞれ良好に反映する。したがって、上記収束電圧Ｖｓａｔおよび収束時間Ｔｒｉｓｅの少なくとも一方をパラメータとすることにより、排気管２の内面のコーキング量を良好に検出することができる。
【００３６】
なお、本発明は、説明した上記実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、コーキングセンサの電極を、３個以上で構成してもよい。この場合には、電極のコーキング量を、より正確に検出することができ、その結果、排気管の内面のコーキング量をより正確に検出することができる。また、実施形態では、コーキングセンサを排気管に設けた場合について説明したが、これに限定されず、ススが付着する可能性のあるＥＧＲ管などの管にも当然設けることが可能であり、その場合にも管の内面に付着・堆積したコーキング量を正確に検出することができる。さらに、実施形態で示したコーキングセンサの細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関用のコーキングセンサは、内燃機関の作動中であっても、管の内面のコーキング量を正確に検出することができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るコーキングセンサを排気管に組み込んだ状態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】コーキングセンサを示す図であり、（ａ）はセンサの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は電極の外観を示す斜視図である。
【図３】図２の電極と形状の異なる櫛歯状の電極の外観を示す斜視図である。
【図４】コーキングセンサを示すブロック図である。
【図５】（ａ）はコーキングセンサの等価回路図であり、（ｂ）は排気管内のコーキング堆積量と、電極間の抵抗値および静電容量との関係を示すグラフである。
【図６】電極間に所定の直流電圧を印加し、電極間に生じる電圧をパラメータとする場合を説明する図であり、（ａ）はコーキングセンサの模式的な等価回路図、（ｂ）は排気管内のコーキング堆積量と、電極間に生じる電圧との関係を示すグラフである。
【図７】発振器による発振周波数の信号を出力させ、その発振周波数をパラメータとする場合を説明する図であり、（ａ）はコーキングセンサの模式的な等価回路図、（ｂ）は排気管内のコーキング堆積量と、発振周波数との関係を示すグラフである。
【図８】電極間にパルス電圧を印加し、電極間に生じる電圧が収束するときの収束電圧および収束時間をパラメータとする場合を説明する図であり、（ａ）はコーキングセンサの模式的な等価回路図、（ｂ）はパルス電圧と、これに対応する収束電圧および収束時間との関係を示す波形図である。
【図９】電極間にパルス電圧を印加したときの、排気管内のコーキング堆積量と、収束電圧および収束時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      内燃機関
２      排気管
１０    コーキングセンサ
１３    電極
１５    センサ回路（コーキング検出手段）
１９    発振器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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