(57)【要約】【課題】内燃機関の排気系に存在する水を検出する。【解決手段】多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材３１、及び、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材３２，３３を含み、エンジン１００の排気系に配置されるセンサ部３０と、一対の電極部材３２，３３間の静電容量に基づいて排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、エンジン１００の排気系に存在する水を検出するコントロールユニット４０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】
多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、
前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する制御部と、
を備えるセンサ。
【請求項２】
前記制御部は、前記一対の電極部材間の静電容量変化量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定し、前記一対の電極部材間の単位時間あたりの静電容量変化量と静電容量のピーク値の少なくとも一方に基づいて、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する
請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記フィルタ部材が、前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、
一対の前記電極部材が、前記フィルタ層を挟んで対向する一対の平板状電極である
請求項１又は２に記載のセンサ。
【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（以下、ＰＭという）の量を検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＰＭの量を検出するセンサが知られている。このセンサには、センサ電極部を排気管内に配置し、ＰＭがセンサ電極部に付着することで生じる静電容量の変化量に基づいてＰＭを検出するものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このセンサでは、排気に含まれる水分の凝集で生じた凝集水がセンサ電極部に付着すると静電容量にピーク状の変化が現れることを利用し、センサの故障判定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７５９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
各種センサ類を保護する観点などから、凝集水については確実に検出されることが望ましい。また、内燃機関の排気系には外部から水が浸入することがあるが、同様の理由で外部から浸入した水についても確実に検出されることが望ましい。しかしながら、前述のセンサは、センサ自体の故障を判定するものであり、凝集水や外部から浸入した水のように、内燃機関の排気系に存在する水の検出については特に考慮されていない。
【０００６】
開示のセンサは、内燃機関の排気系に存在する水を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
開示のセンサは、多孔質性隔壁で区画されて排気ガス中の粒子状物質を捕集する複数のセルを有するフィルタ部材、及び、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を含み、内燃機関の排気系に配置されるセンサ部と、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記排気ガス中の粒子状物質の量を推定すると共に、前記内燃機関の排気系に存在する水を検出する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
開示のセンサによれば、内燃機関の排気系に存在する水を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一実施形態のＰＭセンサが適用された排気系の一例を示す概略構成図である。
【図２】第一実施形態のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
【図３】（Ａ）はＰＭの捕集を説明する部分拡大断面図、（Ｂ）は浸水状態を説明する部分拡大断面図である。
【図４】（Ａ）はＰＭ量の増加によるＰＭセンサの静電容量変化量の経時的な変化を説明する図、（Ｂ）は浸水によるＰＭセンサの静電容量変化量の経時的な変化を説明する図、（Ｃ）はＰＭの捕集中に浸水した場合における静電容量の経時的な変化を説明する図である。
【図５】第二実施形態に係るＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
【図６】（Ａ）は、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な斜視図、（Ｂ）は、第三実施形態に係る各センサ部の模式的な分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るセンサを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１１】
［第一実施形態］
図１は、第１実施形態のＰＭセンサ１０Ａ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の排気系の一例を示す概略構成図である。エンジン１００の排気管１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、ディーゼルパテキュレートフィルタ（ＤＰＦ，以下単にフィルタともいう）２２０、ＮＯｘ浄化触媒２３０、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０などが設けられている。
【００１２】
酸化触媒２１０は未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。フィルタ２２０は、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２２０は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実行される。フィルタ強制再生は、例えば上流側の酸化触媒２１０に未燃燃料を供給し、フィルタ２２０に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。ＮＯｘ浄化触媒２３０は排気中のＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０は排気中のＮＯｘ濃度や空気過剰率を検出する。本実施形態のＰＭセンサ１０Ａは、例えば、ＤＰＦ２２０よりも下流側であってＮＯｘ浄化触媒２３０よりも上流側の排気管１１０に設けられているが、ＮＯｘ浄化触媒２３０よりも下流側の排気管１１０に設けてもよい。
【００１３】
次に、図２に基づいて第一実施形態に係るＰＭセンサ１０Ａの詳細構成について説明する。ＰＭセンサ１０Ａ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内に収容されたセンサ部３０と、コントロールユニット４０とを備えている。
【００１４】
ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。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ケース部材１１の基端側とする。
【００１５】
ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ１２は、導出口１３の総開口面積Ｓ１３よりも小さく形成されている（Ｓ１２＜Ｓ１３）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ１２が導出口１３付近の排気流速Ｖ１３よりも遅くなることで（Ｖ１２＜Ｖ１３）、導入口１２側の圧力Ｐ１２は導出口１３側の圧力Ｐ１３よりも高くなる（Ｐ１２＞Ｐ１３）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。
【００１６】
台座部２０は、雄ネジ部２１とナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３５，３６等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。
【００１７】
センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極部材３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。
【００１８】
フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材ＣＭを介して保持されている。
【００１９】
図３（Ａ）に拡大して示すように、導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭ３１０は、破線の矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルＣ１といい、上流側が目封止されたセルを電極用セルＣ２という。
【００２０】
図２に示すように、電極部材３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルＣ１を挟んで対向する電極用セルＣ２に下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、コントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３５，３６を介してそれぞれ接続されている。
【００２１】
電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、通電により発熱してセンサフィルタ３１を直接加熱することで、測定用セルＣ１内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セルＣ１内に流路に沿って挿入されている。
【００２２】
コントロールユニット４０は、本発明の制御部の一例であり、フィルタ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、浸水判定部４３と、センサ保護制御部４４とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるコントロールユニット４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２３】
フィルタ再生制御部４１は、本発明のフィルタ再生手段の一例であり、静電容量検出回路（不図示）によって検出される各電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいてフィルタ再生条件が成立したか否かを判定し、フィルタ再生条件が成立した場合に、電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするフィルタ再生制御を実行する。電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極部材３２，３３間の媒体の誘電率ε、各電極部材３２，３３の表面積Ｓ、電極部材３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
数式１において、各電極部材３２，３３の表面積Ｓは一定であり、測定用セルＣ１に捕集されたＰＭによって誘電率ε及び距離ｄが変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐとセンサフィルタ３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。
【００２６】
図４（Ａ）に示す例において、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐは、ＰＭの測定用セルＣ１への堆積によって単位時間あたりの変化量θ１（ΔＣｐ／△ｔ）で上昇している。フィルタ再生制御部４１は、静電容量ＣｐがＰＭ上限堆積量を示す静電容量上限閾値ＣＰ＿ｍａｘに達すると、フィルタ再生条件が成立したとして電気ヒータ３４をＯＮにするフィルタ再生を開始する。このフィルタ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値ＣＰ＿ｍｉｎに低下するまで継続される。
【００２７】
ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバル間（フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始）におけるＰＭセンサ１０Ａの静電容量変化量ΔＣｐに基づいて、フィルタ２２０から排出された排気ガス中の総ＰＭ量ｍＰＭを推定する。再生インターバル間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍＰＭは、ＰＭセンサ１０Ａの静電容量変化量ΔＣｐに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
浸水判定部４３は、ＰＭセンサ１０Ａの静電容量Ｃｐのピーク値や単位時間あたりの静電容量の変化量θ（ΔＣｐ／△ｔ）に基づいて、排気系の内部に水が存在するか否かを判定する。並びに、水が存在している場合には水の量を推定する。
【００３０】
排気系の内部に水が存在すると、図３（Ｂ）に示すように、この水の一部はフィルタ部材３１に保持される。詳しくは、フィルタ部材３１が備える測定用セルＣ１や電極用セルＣ２に保持される。これらの測定用セルＣ１や電極用セルＣ２は格子状の細長い空間であるため、水３２０は各セルＣ１，Ｃ２の内部へ円滑に取り込まれて保持される。
【００３１】
水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、ＰＭセンサ１０Ａにおける静電容量Ｃｐのピーク値はＰＭの堆積時よりも十分に高くなり、かつ、ピークに達するまでの静電容量の変化量θはＰＭの堆積時より急峻に（傾きが大きく）なる。さらに、静電容量Ｃｐのピーク値はフィルタ部材３１に保持された水３２０の量が多くなるほど高くなり、静電容量の単位時間あたりの変化量θ（ΔＣｐ／△ｔ）はフィルタ部材３１に保持された水３２０の量が多くなるほど急峻になる。
【００３２】
図４（Ｂ）に一点鎖線で示すように、所定量の水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、静電容量Ｃｐがピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋ１に達するまでの期間（時刻ｔ０−ｔ１）において、静電容量ＣｐはＰＭ堆積時の変化量θ１よりも十分に急峻な変化量θ２で上昇する。図４（Ｂ）に破線で示すように、さらに多くの水３２０がフィルタ部材３１に保持されると、静電容量Ｃｐは、ピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋ２まで変化量θ２よりもさらに急峻な変化量θ３で上昇する。そして、何れのケースにおいても、排気の流通などによって水３２０がフィルタ部材３１から蒸発すると、静電容量ＣｐはＣｐ＿ｍｉｎまで低下する（時刻ｔ３−ｔ４）。
【００３３】
従って、浸水判定部４３は、静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋが所定の上限閾値以上である場合、及び、静電容量Ｃｐの変化量θが所定の上限閾値以上である場合の少なくとも一方の判定条件を満たした場合に、排気系の内部に水３２０が存在すると判定する。また、浸水判定部４３は、静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋの値に基づいて存在する水の量を判定する。水の量の判定は、例えば判定用のマップを用いることで行える。このマップは、フィルタ部材３１に保持させる水の量を変化させ、対応する静電容量のピーク値Ｃｐｗ＿ｐｋを測定することで作成できる。
【００３４】
図４（Ｃ）は、ＰＭの捕集中に外部から水が浸入した場合の例を示している。図４（Ｃ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間において、静電容量ＣｐはＰＭ堆積量に応じた変化量θ１で上昇している。その後、時刻ｔ１で静電容量がＣｐ＿ｂｓからＣｐ＿ｐｋまで急激に上昇し、時刻ｔ２でＣｐ＿ｂｓまで戻っていることから、浸水判定部４３は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、所定の判定条件を満たしたとして外部から水３２０が排気系に浸入したと判定する。
【００３５】
センサ保護制御部４４は、浸水判定部４３によって排気系に水が存在すると判定された場合に、各種センサへの通電を禁止してセンサを保護する。本実施形態では、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０が有するヒータ（不図示）への通電を禁止し、ＮＯｘ／ラムダセンサ２４０を保護している。
【００３６】
このように、浸水判定部４３は、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐの単位時間あたりの変化量θ（△Ｃｐ／△Ｔ）やピーク値Ｃｐ＿ｐｋに基づいて、エンジン１００の排気系に存在する水（凝集水や浸入水）を検出できる。このように、電極部材３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいて水を検出しているので、排気系に存在する水を検出することができる。また、水の検出は、ＰＭの量を検出するＰＭセンサ１０Ａで行われている。すなわち、ＰＭセンサ１０ＡをＰＭの検出と排気系に存在する水の検出の両方に用いている。このため、専用のセンサを別途設ける必要がなく構成の簡素化が図れる。
【００３７】
また、センサ保護制御部４４は、浸水判定部４３が排気系に水が存在していると判定している期間において、各種センサへの通電を禁止しているので、各種センサを保護できる。
【００３８】
［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係るＰＭセンサ１０Ｂの詳細について説明する。第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂは、第一実施形態のＰＭセンサ１０Ａにおいて、ケース部材を二重管構造にしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明は省略する。また、コントロールユニット４０など一部の構成要素については図示を省略している。
【００３９】
第二実施形態のケース部材は、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１５とを備えている。
【００４０】
内側ケース部１１Ａは、先端側が外側ケース部１５よりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部１５よりも長く形成されている。また、内側ケース部１１Ａの底部には、内側ケース部１５内の排気ガスを排気管１１０内に導出する導出口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１５の内周面とで区画された流路１６内の排気ガスを内側ケース部１１Ａ内に通過させる。
【００４１】
流路１６の下流端には、内側ケース部１１Ａの先端側筒壁部と外側ケース部１５の先端部とにより区画された円環状の導入口１２が形成されている。導入口１２の開口面積Ｓ１２は、導出口１３の開口面積Ｓ１３よりも小さく形成されている（Ｓ１２＜Ｓ１３）。
【００４２】
すなわち、排気管１１０を流れる排気ガスは、外側ケース部１５よりも先端側に突出した内側ケース部１１Ａの筒壁面に当たり、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導入口１２から流路１６内に円滑に取り込まれる。さらに、流路１６内を流れる排気ガスは、通過口１４から内側ケース部１１に取り込まれ、フィルタ部材３１を通過した後に、排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置された導出口１３から排気管１１０内に円滑に導出されるようになっている。このように、第二実施形態のＰＭセンサ１０Ｂでは、導入口１２と導出口１３とを、排気管１１０内で排気流速が最も速くなる軸中心ＣＬ近傍に配置したことで、センサフィルタ３１を通過する排気流量を効果的に高めることが可能になる。
【００４３】
［第三実施形態］
次に、図６に基づいて、第三実施形態に係るＰＭセンサの詳細について説明する。第三実施形態のＰＭセンサは、第一実施形態のセンサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。
【００４４】
図６（Ａ）は、第三実施形態のセンサ部６０の斜視図、図６（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の電極板６２，６３とを備えている。
【００４５】
フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図６（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１１から上流側を目封止されたセルＣ１２に流れ込むことで、セルＣ１１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図６（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図６（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。
【００４６】
一対の電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら一対の電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６４，６５を介してコントロールユニット４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。
【００４７】
すなわち、一対の電極板６２，６３を対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第三実施形態のＰＭセンサでは、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることができる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。
【００４８】
なお、セルＣ１１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
【００４９】
［その他］
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０Ａ，１０Ｂ  ＰＭセンサ
１１  ケース部材
１２  導入口
１３  導出口
２０  台座部
２１  雄ネジ部
２２  ナット部
３０  センサ部
３１  フィルタ部材
３２，３３  電極部材
３４  電気ヒータ
４０  コントロールユニット
４１  フィルタ再生制御部
４２  ＰＭ量推定演算部
４３  浸水判定部
４４  センサ保護制御部
【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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