JP2017191048A

JP2017191048A - Ｐｍセンサ

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Publication number: JP2017191048A
Application number: JP2016081541A
Authority: JP
Inventors: 貴幸古川; Takayuki Furukawa; 藤井　謙治; Kenji Fujii; 謙治藤井; 正内山; Tadashi Uchiyama; 和生大角; Kazuo Osumi; 中村　圭介; Keisuke Nakamura; 圭介中村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: CN109073525A; EP3444590A4; WO2017179572A1; US10865675B2; JP6717020B2; US20190128159A1; EP3444590A1

Abstract

【課題】検出精度の低下を抑制可能なＰＭセンサを提供すること。【解決手段】ＰＭセンサは、粒子状物質を含む排気ガスの通路に配置された隔壁を有する多孔質体と、前記多孔質体を挟んで、所定方向において互いに対向する少なくとも一対の電極と、前記隔壁における前記通路上流側の表面を含み、前記表面に前記粒子状物質が堆積する堆積部であって、前記隔壁において前記堆積部以外の部分の平均孔径よりも小さい平均孔径の細孔が形成された堆積部と、を備えている。を備えている。【選択図】図３Ｃ

Description

本開示は、内燃機関から排出された排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｒａｔｅＭａｔｔｅｒ）の量を検出可能なＰＭセンサに関する。

内燃機関の排気ガス中には、粒子状物質（以下、ＰＭという）が含まれる。ＰＭ除去のために、排気ガスの通路（以下、排気通路という）にはＰＭフィルタが配置される。このＰＭフィルタとしては、例えばディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）がある。

ＰＭフィルタは、ＰＭを捕集し続けると目詰まりを起こす。それゆえ、ＰＭフィルタに堆積したＰＭは強制的に燃焼させられ除去される。この処理は、ＰＭフィルタの再生処理として知られている。

ＰＭフィルタでのＰＭ堆積量の判定等のためにＰＭセンサが使用される。ＰＭセンサは、排気通路においてＰＭフィルタよりも下流側に配置され、ＰＭフィルタを通過後の排気ガスの一部を内部に取り込み、所定の処理を行った後に排気通路の排出するように構成される。

所定の処理のため、ＰＭセンサは、取り込んだ排気ガスの通路に配置された多孔質フィルタを備えている。この多孔質フィルタの通路上流側の表面には、自身を通過する排気ガスに含まれるＰＭが堆積していく。ＰＭセンサはさらに、多孔質フィルタを挟んで互いに対向する少なくとも一対の電極を備えている。ＰＭセンサは、少なくとも一対の電極により構成されるコンデンサの静電容量に基づき、多孔質フィルタへのＰＭ堆積量を導出する（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−２４１６４３号公報

しかし、従来のＰＭセンサにおいて、多孔質フィルタの細孔の大きさおよび／または分布は必ずしも一様ではない。それ故、多孔質フィルタの内部でのＰＭのたまり方にはばらつきがある。多孔質フィルタ内部のＰＭはコンデンサの静電容量に影響を与えないので、ＰＭのたまり方にばらつきがあると、ＰＭセンサの検出精度が低下する可能性があった。

本開示は、検出精度の低下を抑制可能なＰＭセンサを提供することを目的とする。

本開示は、粒子状物質を含む排気ガスの通路に配置された隔壁を有する多孔質体と、前記多孔質体を挟んで、所定方向において互いに対向する少なくとも一対の電極と、前記隔壁における前記通路上流側の表面を含み、前記表面に前記粒子状物質が堆積する堆積部であって、前記隔壁において前記堆積部以外の部分の平均孔径よりも小さい平均孔径の細孔が形成された堆積部と、を備えたＰＭセンサに向けられる。

本開示によれば、検出精度の低下を抑制可能なＰＭセンサを提供することが出来る。

本開示に係るＰＭセンサが適用される排気系を例示する模式図図１に示すＰＭセンサの構成例を模式的に示す部分断面図図２に示すセンサ部の構成例を模式的に示す斜視図図３Ａのセンサ部の分解斜視図図３Ｂの線Ｃ−Ｃ’に沿うセンサ部の断面を高さ方向Ｔから見た時の断面図図３Ｂの線Ｄ−Ｄ’に沿うセンサ部の断面を後端側から多孔質体を見た時の平面図図２のＰＭセンサの変形例を模式的に示す部分断面図

以下、上記図面を参照して、本開示に係るＰＭセンサ１Ａを詳説する。
なお、上記図面のいくつかには、Ｌ軸、Ｗ軸およびＴ軸が描かれている。Ｌ軸、Ｗ軸およびＴ軸はＰＭセンサ１Ａの長さ方向、幅方向および高さ方向を示す。各方向は互いに直交する。また、下記では、ＰＭセンサ１Ａの長さ方向、幅方向および高さ方向を、長さ方向Ｌ、幅方向Ｗおよび高さ方向Ｔと記載することがある。また、長さ方向Ｌにおける正方向側を先端側といい、その負方向側を後端側という。

＜１．ＰＭセンサ１Ａの周辺構成＞
図１には、内燃機関１００と、排気系２００と、本開示に係るＰＭセンサ１Ａが示されている。
内燃機関１００は、典型的にはディーゼルエンジンである。
排気系２００は、大略的には、排気通路Ｐを形成する排気管２０２と、酸化触媒２０４と、ＰＭフィルタ２０６と、を含む。酸化触媒２０４は、排気通路ＰにおいてＰＭフィルタ２０６よりも上流側に設けられる。ＰＭフィルタ２０６は、典型的には、ディーゼルパティキュレートフィルタである。

各ＰＭセンサ１Ａは、排気通路ＰにおいてＰＭフィルタ２０６よりも下流側に設けられる。各ＰＭセンサ１Ａは、典型的には、ＰＭフィルタ２０６でのＰＭ堆積量の導出等のために使用され、ＰＭフィルタ２０６を通過後の排気ガスの一部を内部に取り込み、所定の処理を行った後に排気通路の排出するように構成される。

以下、図２〜図３Ｄを参照して、本開示のＰＭセンサ１Ａについて詳説する。
＜２．ＰＭセンサ１Ａの詳細な構成＞
ＰＭセンサ１Ａは、外ケース１２と、内ケース１４と、取付部１６と、センサ部１８と、支持部材１１０と、制御部１１２と、を備えている。ここで、図２では、外ケース１２および内ケース１４に関しては、ＷＬ平面と平行な仮想面に沿って、それぞれの一部分を切断した断面形状が示される。センサ部１８および支持部材１１０に関しては、同仮想面に沿ってそれぞれを切断した断面形状が示される。

外ケース１２は、例えば、長さ方向Ｌに平行な中心軸を持つ円筒状の形状を有する。外ケース１２における長さ方向Ｌの両端は閉止されずに、所定の内径φ１を有する開口部となっている。

内ケース１４は、例えば、長さ方向Ｌに沿う中心軸を持つ有底円筒状の形状を有する。内ケース１４は、本開示では、長さ方向Ｌへのサイズについて、外ケース１２よりも大きい。また、内ケース１４の外径φ２は、外ケース１２の内径φ１よりも小さい。さらに、内ケース１４の後端部は閉止されずに、所定の内径φ３を有する開口部となっている。また、内ケース１４の後端部近傍には、複数の入口（貫通孔）Ｈｉｎ１が内ケース１４の外周面の周方向に沿って形成されている。なお、図の視認性の観点で、図２では、一つの入口にのみ参照符号Ｈｉｎ１が付されている。また、内ケース１４の先端部は、底部となっており、完全ではないがほぼ閉止されている。より具体的には、この底部の略中央には、内径φ３よりも小径の出口（貫通孔）Ｈｏｕｔ１が少なくとも一つ形成される。

取付部１６は、大略的には、リング状の形状を有する。この取付部１６の先端側には、内ケース１４および外ケース１２が挿入され固定される。両ケース１２，１４が取付部１６に固定されることで、（１）両ケース１２，１４の中心軸が軸合わせされ、かつ（２）外ケース１２の内部空間に内ケース１４が収容される。さらに、本開示では、（３）内ケース１４の先端部が外ケース１２の先端部よりも突出する。

取付部１６の外周面には、雄ネジＳ２が形成される。排気通路ＰにおいてＰＭフィルタ２０６よりも下流側にはボスＢ２が設けられており、ボスＢ２には、排気管２０２を貫通しかつ内周面に雌ネジＳ４が形成された貫通孔があけられる。雄ネジＳ２は、この雌ネジＳ４と螺合可能になっている。また、雄ネジＳ２の後端側にはナット部Ｓ６が設けられる。上記のような取付部１６と、排気管２０２の雌ネジＳ４とにより、ＰＭセンサ１Ａは排気管２０２に取り付けられる。

また、取付部１６には、長さ方向Ｌに沿って貫通し、センサ部１８から引き出される導線２１０，２１２（図３Ａ，図３Ｂを参照）が通過する貫通孔Ｈ２が形成される。

センサ部１８は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、対をなす少なくとも二個の電極２２（図示は、五個の電極２２ａ〜２２ｅ）と、少なくとも一層の多孔質体２４（図示は四個の多孔質体２４ａ〜２４ｄ）と、少なくとも一個のヒータ２６（図示は二個のヒータ２６ａ，２６ｂ）と、を備えている。

各電極２２は、面状導体からなり、例えば、ＬＷ平面に略平行で略矩形形状の主面を有する。各電極２２は、所定方向（例えば高さ方向Ｔ）に配列される。また、所定方向に隣り合う二個の電極２２は、所定距離だけあけて互いに対向して、コンデンサを構成する。

各多孔質体２４は、例えば、電気絶縁性を有する多孔質セラミックスシートからなる複数の隔壁２５（図３Ｃを特に参照）の組み合わせからなり、所定方向に隣り合う電極２２の間に例えば一層ずつ挟み込まれる。なお、図３Ｃには便宜上三個の隔壁２５のみが示される。より具体的には、複数の隔壁２５は、隣り合う電極２２の間で、所定方向（例えば、高さ方向Ｔ）と平行に間隔をあけて配置され、かつ、長さ方向Ｌに延在させられる。これにより、隣り合う電極２２の間の空間が複数の隔壁２５で区画されて、例えば長さ方向Ｌに延在し幅方向Ｗに隣り合う第一直方体空洞Ｃ１および第二直方体空洞Ｃ２が形成される。なお、各隔壁２５と各電極２２の間にも、同様の多孔質セラミックシートが介在している。

また、ある第一直方体空洞Ｃ１の先端が開口部で、その後端が閉止される場合、幅方向Ｗに隣接する第二直方体空洞Ｃ２の先端は閉止され、その後端は開口部とされる。このような関係は、直方体空洞Ｃ１，Ｃ２の全組み合わせに同様に当てはまる。

なお、図３Ａ，図３Ｂでは、各多孔質体２４により、隣り合う電極２２の間の空間は、高さ方向Ｔには区画されず、幅方向Ｗにおいて合計五個の直方体空洞Ｃ１，Ｃ２に区画される。また、図３Ａ，図３Ｂでは、各直方体空洞Ｃ１，Ｃ２において閉止された箇所にはハッチングが付されている。

また、本開示では、四個の多孔質体２４ａ〜２４ｄが高さ方向Ｔに並ぶ。この場合、高さ方向Ｔに電極２２を介して隣り合う直方体空洞Ｃ１，Ｃ２の組み合わせもまた上記と同様の関係を有する。即ち、第一直方体空洞Ｃ１の先端が開口部で、その後端が閉止される場合、高さ方向Ｔに隣接する第二直方体空洞Ｃ２の先端は閉止され、その後端は開口部とされる。

また、本ＰＭセンサ１Ａでは、図３Ｃ，図３Ｄに示すように、各隔壁２５において各第二直方体空洞Ｃ２との境界をなす部分（即ち、各隔壁２５の表面を含む部分）に、堆積部Ｈ４の一例としてのメンブレン層が一層ずつ設けられる。本説明では、堆積部Ｈ４はメンブレン層と均等であるため、以下では、メンブレン層にも参照符号Ｈ４を付すこととする。

各メンブレン層Ｈ４は、金属酸化物または金属複合酸化物から、より特定的には、アルミナまたはシリカからなる。また、各メンブレン層Ｈ４は、耐熱性および電気絶縁性を有する。このような各メンブレン層Ｈ４には多数の細孔が形成されている。メンブレン層Ｈ４の平均孔径は、各隔壁２５（多孔質体２４）におけるメンブレン層Ｈ４以外の部分（以下、非堆積部という）の多孔質体２４の平均孔径よりも小さい。また、メンブレン層Ｈ４の内部には、ほぼ同じ径の細孔が一様にかつ規則的に分布することが好ましい。また、好ましくは、非堆積部の気孔率は、メンブレン層Ｈ４の気孔率よりも小さくなっている。

なお、多孔質体２４の細孔の平均孔径は、例えば、ＰＭフィルタ２０６の平均孔径よりも大きな値に設計される。この場合、メンブレン層Ｈ４としては、細孔の平均孔径が多孔質体２４の平均孔径よりも小さな平均孔径の細孔が形成されたものが使用されることが好ましい。具体例を挙げると、ＰＭフィルタ２０６が数μｍ以上数十μｍ以下の径の気孔を支配的に有するのであれば、多孔質体２４の平均孔径は数十μｍ超に設計され、メンブレン層Ｈ４の平均孔径は、数十μｍ以下に設計される。

また、本ＰＭセンサ１Ａでは、多孔質体２４上にメンブレン層Ｈ４が積層される。このような構成が採用される理由は、センサ部１８の強度を確保するためである。

少なくとも一個のヒータ２６（図示は、ヒータ２６ａ，２６ｂ）は、図３Ｂに示すように、線状導体からなり、絶縁性セラミックシート２８（図示は、セラミックシート２８ａ，２８ｂ）内に埋設された状態で、例えば電極２２と多孔質体２４との間に挿入される。各ヒータ２６は、多孔質体２４の表面上または内部に存在するＰＭを燃焼させる観点から、極力幅狭の線状導体からなり、セラミックシート２８内で蛇行していることが望ましい。なお、ヒータ２６の機能は少なくとも一個の電極２２に持たせることも可能である。

再度図２を参照する。上記構成のセンサ部１８において、長さ方向Ｔの両端面を少なくとも除く側面は、支持部材１１０により取り囲まれる。ここで、支持部材１１０は、耐熱性を有する繊維状のマットからなる。支持部材１１０で取り囲まれたセンサ部１８は内ケース１４の内部空間に収容される。

また、各電極２２からは導線２１０が一本ずつ引き出され（図３Ａを参照）、また、各ヒータ２６の両端からは導線２１２が一本ずつ引き出される（図３Ｂを参照）。これら導線２１０，２１２は、制御部１１２に接続される。

制御部１１２は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）等であって、センサ再生制御部３２と、ＰＭ量導出部３４とを機能ブロックとして含む。各機能ブロック３２，３４は、例えば、プログラムを実行するマイコンにより実現される。

センサ再生制御部３２は、予め定められたタイミングで（より具体的には、各コンデンサ（即ち、対をなす二個の電極２２）の静電容量に応じて）、各ヒータ２６を通電させて、各多孔質体２４に堆積するＰＭを燃焼させる（即ち、センサ再生処理）。

ＰＭ量導出部３４は、所定期間（例えば、センサ再生処理終了時から次のセンサ再生開始時まで）における静電容量の変化量に基づいて、内燃機関１００からの排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。

上記センサ再生処理および上記総ＰＭ量の推定に関しては、特開２０１６−００８８６３号公報等で詳説されているため、ここでは、それぞれの詳説を控える。

＜３．ＰＭセンサ１Ａの動作＞
図１において、内燃機関１００から排出された排気ガスは、酸化触媒２０４およびＰＭフィルタ２０６により処理されて、排気通路Ｐの下流側に向けて流れる。ＰＭフィルタ２０６を通過した排気ガスの一部がＰＭセンサ１Ａの内部に取り込まれる。より具体的には、図２に示すように、排気ガスは、両ケース１２，１４の間を通過して、入口Ｈｉｎ１から内ケース１４の内部に流入する。その後、排気ガスは、図３Ｃ，図３Ｄに示すように、多孔質体２４の後端側開口部から第二直方体空洞Ｃ２に流入する。ここで、第二直方体空洞Ｃ２において、排気ガスの通路の下流側端部は閉止されるため、排気ガスは、隔壁２５を通過して、第一直方体空洞Ｃ１の内部に流入する。第一直方体空洞Ｃ１において、排気ガスの通路の上流側端部は閉止されるため、排気ガスはその先端側の開口部から流出する。

ＰＭ量導出部３４は、上記の通り、コンデンサ（対をなす電極２２）から導線２１０を介して得られる静電容量の変化量（より具体的には、所定期間における変化量）に基づいて、内燃機関１００からの排気ガス中の総ＰＭ量を推定する。また、センサ再生制御部３２は、予め定められたタイミングで、導線２１２を介して各ヒータ２６を通電させて、各多孔質体２４に堆積するＰＭを燃焼させる。

＜４．ＰＭセンサ１Ａの主たる作用・効果＞
本ＰＭセンサ１Ａの多孔質体２４において、隔壁２５は、排気ガス通路を遮るように配置され、これによって、第一直方体空洞Ｃ１と第二直方体空洞Ｃ２とが形成される。隔壁２５において第二直方体空洞Ｃ２側の表面（即ち、隔壁２５において排気ガス通路の上流側の表面）には、上記のようなメンブレン層Ｈ４が形成される。従って、排気ガスが、第二直方体空洞Ｃ２の後端側開口部からに流入すると、排気ガス自体はメンブレン層Ｈ４および隔壁２５を通過して第一直方体空洞Ｃ１に流入するが、排気ガスに含まれるＰＭの殆どはメンブレン層Ｈ４の表面上に堆積する。

上記のことから、ＰＭセンサ１Ａに、細孔の大きさや分布が一様でない多孔質体２４が使用されていたとしても、ＰＭセンサ１Ａにはメンブレン層Ｈ４が備わっているため、多孔質体２４の内部にはＰＭは殆どたまらない。よって、本ＰＭセンサ１Ａでは、多孔質体２４におけるＰＭのたまり方のばらつきを考慮する必要が無く、本ＰＭセンサ１Ａは、多孔質体２４におけるＰＭの影響を受けずに、コンデンサの静電容量を検出することが可能となる。

＜５．ＰＭセンサ１Ａの他の作用・効果＞
また、従来のＰＭセンサでは多孔質フィルタが利用されていたため、多孔質フィルタへのＰＭ堆積量が無いか少ない状態（即ち、初期状態）では、ＰＭセンサの検出結果の精度に影響が生じるという問題点があった。以下、この問題点についてより具体的に説明する。

この種のＰＭセンサでは、予め定められたタイミングで、堆積したＰＭが燃焼させられる（センサ再生処理）。従って、センサ再生処理の度にＰＭセンサは初期状態になる。従って、たとえ同一多孔質フィルタであっても、各初期状態において、多孔質フィルタ内へのＰＭのたまり方が異なる。

また、ＰＭセンサが複数の多孔質フィルタを備えている場合、センサ再生処理により、複数の多孔質フィルタのＰＭが一括的に（即ち同時に）燃焼させられる。従って、ある初期状態において、複数の多孔質フィルタ内へのＰＭのたまり方が異なる。

上記の通り、従来のＰＭフィルタでは、初期状態におけるＰＭのたまり方が一様ではないため、ＰＭセンサの検出結果の精度に影響が生じてしまう。

しかし、ＰＭセンサ１Ａによれば、メンブレン層Ｈ４によりＰＭは多孔質体２４の内部で実質的に留まることが無いため、ＰＭセンサ１Ａが初期状態の場合に、ＰＭ量導出部３４（図２を参照）の検出結果の精度に影響が生じにくくなる。

また、ＰＭセンサ１Ａによれば、メンブレン層Ｈ４の平均孔径は、隔壁２５のそれよりも小さくなっているが、メンブレン増Ｈ４の気孔率が、隔壁２５のそれよりも大きくなっている。これにより、メンブレン層Ｈ４を隔壁２５に積層しても、この部分において圧力損失が過度に大きくなることを防止している。

＜６．第一変形例＞
上記ＰＭセンサ１Ａは、外ケース１２と内ケース１４とを備えていた。しかし、これに限らず、ＰＭセンサ１Ａは、外ケース１２および内ケース１４に代えて、図４に示すように単一のケース４２を備えていても構わない。なお、これ以外に、図４のＰＭセンサ１Ａと、図２のそれとの間に相違点は無い。それ故、図４において図２に示す構成に相当するものには同一参照符号を付け、それぞれの説明を省略する。

ケース４２は、例えば、長さ方向Ｌに沿う中心軸を持つ有底円筒状の形状を有する。ケース４２の後端部は閉止されずに開口部となっている。また、ケース４２の先端部は、底部となっており閉止される。

また、ケース４２の先端部近傍には、複数の入口（貫通孔）Ｈｉｎ２がケース４２の外周面の周方向に沿って形成されている。また、ケース４２の後端部近傍には、入口Ｈｉｎ２よりも開口面積の大きな複数の出口（貫通孔）Ｈｏｕｔ２がケース４２の外周面の周方向に沿って形成されている。なお、図の視認性の観点で、図２では、一つの入口および出口にのみ参照符号Ｈｉｎ２，Ｈｏｕｔ２が付されている。

上記ケース４２の内部空間には、支持部材１１０で取り囲まれたセンサ部１８が収容される。なお、上記ケース４２の詳細については、特開２０１６−００８８６３号公報に記載されているため、ここでは、その詳説を控える。

なお、ＰＭセンサ１Ａのケースに関しては他にも様々な形状を採用可能である。

＜７．付記＞
また、上記では、空洞Ｃ１，Ｃ２の形状は直方体であると説明した。しかし、これに限らず、空洞Ｃ１，Ｃ２は直方体以外の形状を有していても構わない。

また、上記では、堆積部の一例としてのメンブレン層Ｈ４は、多孔質体２４の非堆積部の表面上に積層されていた。しかし、積層以外の手段（例えば、揮発性物質または発泡材料を用いて焼成する方法）で、隔壁２５に堆積部と非堆積部とが形成されても構わない。堆積部は、隔壁２５において、排気ガスの通路上流側の表面を含む部分であり、非堆積部は、堆積部を基準として通路下流側の部分である。

本開示のＰＭセンサは、検出精度の低下を抑制可能であり、内燃機関を備えた車両用途に有用である。

１ＡＰＭセンサ
２２電極
２４多孔質体
Ｈ４メンブレン層（堆積部）

Claims

粒子状物質を含む排気ガスの通路に配置された隔壁を有する多孔質体と、
前記多孔質体を挟んで、所定方向において互いに対向する少なくとも一対の電極と、
前記隔壁における前記通路上流側の表面を含み、前記表面に前記粒子状物質が堆積する堆積部であって、前記隔壁において前記堆積部以外の部分の平均孔径よりも小さい平均孔径の細孔が形成された堆積部と、を備えた、ＰＭセンサ。
前記堆積部の気孔率は、前記隔壁において前記堆積部以外の部分よりも大きくなっている、請求項１に記載のＰＭセンサ。
前記表面が前記所定方向と平行で、
前記隔壁は、前記一対の電極間の空間を、前記所定方向と直交方向に配列された第一空洞および第二空洞に区画し、
前記第一空洞の下流側端部が開口部となっており、前記第一空洞の上流側端部は閉止され、
前記第二空洞の下流側端部は閉止され、前記第二空洞の上流側端部は開口部となっている、請求項１または２に記載のＰＭセンサ。