WO2011114444A1

WO2011114444A1 - 排気浄化用センサ

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Publication number: WO2011114444A1
Application number: PCT/JP2010/054459
Authority: WO
Inventors: 文茂宮田; 貴史春日; 亮弘根河
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2012-09-16
Also published as: EP2366877A1; EP2366877B1; US20110225954A1

Abstract

　ＰＭ量又はＰＭ濃度の測定を適切に行いつつ応力作用を抑えた検査用フィルタの把持を実現させる排気浄化用センサは、内燃機関の主排気ラインから分岐された副排気ラインに設けられる検査用フィルタと、副排気ライン上で検査用フィルタを把持する把持部材と、を備え、把持部材は、検査用フィルタの外周部の１０％～５０％の面積部分を外周側から覆うように把持する。

Description

排気浄化用センサ

　本発明は、排気浄化用センサに係り、特に内燃機関の主排気ラインから分岐された副排気ラインに設けられる検査用フィルタを備える排気浄化用センサの構造に関する。

　従来、ディーゼルエンジンから排出されるＣ（炭素）を主とする微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を捕捉するのに、多孔質セラミックより構成される微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）を用いた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置において、ＤＰＦには、ディーゼルエンジンの継続的な使用に伴って徐々にＰＭが堆積する。このため、ディーゼルエンジン側から大気へＰＭが放出されるのを防止することができ、排気ガスを浄化することが可能である。

　ここで、ＤＰＦの再生処理時にクラックが生ずると、ＤＰＦ下流側の排気ラインへＰＭが漏れ出すおそれがある。ＤＰＦのクラックを防止するうえでは、適切なタイミングでＤＰＦ内のＰＭを燃焼させて酸化除去することが有効である。そこで、ＤＰＦへのＰＭ堆積量を測定するために、ＤＰＦ上流側の排気ラインに接続し、内燃機関から排出された排気ガスの一部をサンプルガスとして取り入れる副排気ラインを設け、その副排気ライン上に検査用フィルタを設けることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。

　このようなＰＭセンサは、副排気ライン内の検査用フィルタ前後の圧力差等を測定し、副排気ラインのＰＭ量を求めてＤＰＦへのＰＭ堆積量を推定することができる。更には、検査用フィルタをＤＰＦ下流側の排気ラインに設けることで、ＰＭ漏れを診断し或いはＤＰＦへのＰＭ堆積量を求めることが可能となる。

欧州特許第１９１６３９４号明細書

　特許文献１記載のＰＭセンサにおいて、副排気ライン内に設けられる検査用フィルタは、その副排気ライン内において筒状に延びる形状を有しているが、その検査用フィルタの把持が適切に行われていないと、長期間の使用が行われた場合などに、振動などに起因して検査用フィルタに過大な応力が作用して、検査用フィルタの破損が発生するおそれがある。一方、検査用フィルタが把持される部位の領域が大きいほど、検査用フィルタが安定して把持されるので、破損が生ずる可能性は小さくなるが、この場合は、検査用フィルタの排気ガスに晒される領域が小さくなるので、副排気ラインのＰＭ量又は排気ガス中のＰＭ濃度を精度よく測定することができないおそれがある。

　本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、ＰＭ量又はＰＭ濃度の測定を適切に行いつつ応力作用を抑えた検査用フィルタの把持を実現させた排気浄化用センサを提供することを目的とする。

　上記の目的は、内燃機関の主排気ラインから分岐された副排気ラインに設けられる検査用フィルタと、前記副排気ライン上で前記検査用フィルタを把持する把持部材と、を備える排気浄化用センサであって、前記把持部材は、前記検査用フィルタの外周部の１０％～５０％の面積部分を外周側から覆うように把持する排気浄化用センサにより達成される。

　この態様の発明において、把持部材は、検査用フィルタの外周部の１０％～５０％の面積部分を外周側から覆うように把持する。かかる検査用フィルタの構造によれば、フィルタとしてのろ過面積をある程度大きく確保しつつ、その把持を適切に行うことができる。従って、本発明によれば、ＰＭ量又はＰＭ濃度の測定を適切に行いつつ、検査用フィルタへの応力作用を抑えることができる。

　尚、上記した排気浄化用センサにおいて、前記検査用フィルタの外周部はろ過壁として用いられることとしてもよい。

　また、上記した排気浄化用センサにおいて、前記検査用フィルタは、前記把持部材により外周側が覆われ、前記副排気ライン上に把持されることとしてもよい。

　また、上記した排気浄化用センサにおいて、前記検査用フィルタは、前記副排気ラインの流入側に面する封口部を有し、前記副排気ラインの流出側で前記把持部材により把持されることとしてもよい。

　また、上記した排気浄化用センサにおいて、前記検査用フィルタは、前記副排気ラインの流出側に面する封口部を有し、前記副排気ラインの流入側で前記把持部材により把持されることとしてもよい。

　この場合には、前記把持部材による前記検査用フィルタの把持部位に、前記副排気ライン中の微粒子の堆積を抑制するためのコーティングが施されることとしてもよい。

　更に、上記した排気浄化用センサにおいて、前記検査用フィルタは、前記微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタからの微粒子漏れを診断し又は前記微粒子捕捉フィルタに捕捉される微粒子量を測定するために設けられていることとしてもよい。

　本発明によれば、ＰＭ量又はＰＭ濃度の測定を適切に行いつつ応力作用を抑えた検査用フィルタの把持を実現させることができる。

本発明の一実施形態である排気浄化用センサを備える排気浄化装置の全体構成図である。本発明の一実施形態の排気浄化用センサの要部構成図である。本発明の実施形態の変形例である排気浄化用センサの構成図である。本発明の実施形態の変形例である排気浄化用センサを備える排気浄化装置の全体構成図である。

　以下、図面を用いて、本発明に係る排気浄化装置の具体的な実施形態について説明する。

　図１は、本発明の一実施形態である排気浄化用センサを備える排気浄化装置１０の全体構成図を示す。また、図２は、本実施形態の排気浄化装置１０の要部構成図を示す。

　本実施形態の排気浄化装置１０は、図１に示す如く、内燃機関（特にディーゼルエンジン）１２に接続する主排気ライン１４上に設けられた、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１６及び微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）１８を備えている。ＤＯＣ１６は、内燃機関１２から排出される排気ガス中に含まれる一酸化炭素や炭化水素などを除去するための触媒である。また、ＤＰＦ１８は、内燃機関１２から排出される排気ガス中に含まれる微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を捕捉するフィルタである。

　本実施形態の排気浄化装置１０は、内燃機関１２から大気へ排出される排気ガスを浄化するための装置であると共に、ＤＰＦ１８に破損などの故障が発生し、閾値以上の量のＰＭが主排気ライン１４上でＤＰＦ１８下流側へ漏れ出した場合に、この故障を検出して、アラーム、ランプの点滅、又はランプの点灯等を行うことができる。排気浄化装置１０は、ＤＰＦ１８の故障を検出するための排気浄化用センサ（以下、ＰＭセンサと称す）２０を備えている。

　すなわち、主排気ライン１４のＤＰＦ１８下流側には、大気に連通する主排気ラインとは別に設けられた副排気ライン２２が接続されている。副排気ライン２２は、主排気ライン１４から分岐されており、ＤＰＦ１８を通過した排気ガスの一部が流入し得る。副排気ライン２２は、主排気ライン１４の流路断面積よりも小さな流路断面積を有している。ＰＭセンサ２０は、副排気ライン２２内に配設されており、副排気ライン２２に流れる排気ガス中のＰＭの濃度に基づいてＤＰＦ１８からのＰＭ漏れを判定する。

　ＰＭセンサ２０は、副排気ライン２２内に設けられた検査用フィルタ２８を構成要素として有している。尚、ＰＭセンサ２０は、更に差圧計や流量計，温度測定部をセンサ構成要素として含んでいてもよい。ＤＰＦ１８を通過した主排気ライン１４中の排気ガスの一部は、ポンプ等で吸引されることで副排気ライン２２側に吸引されて、検査用フィルタ２８を通過する。

　検査用フィルタ２８は、副排気ライン２２内で堆積するＰＭの量、又は、内燃機関１２から排出される排気ガス中に含まれるＰＭの濃度を算出するためのフィルタであって、ＰＭを捕捉することが可能である。検査用フィルタ２８は、ＤＰＦ１８と同様の多孔質セラミックなどの材質により構成されており、円筒状又は円筒状以外（例えば、四角いセル、３×３セルなど）に形成されている。検査用フィルタ２８は、ＤＰＦ１８のスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有している。検査用フィルタ２８は、ろ過壁として用いられる外周部を有している。

　ＰＭセンサ２０の差圧計は、副排気ライン２２内における検査用フィルタ２８の入口と出口との差圧ΔＰ（すなわち、上流側と下流側との圧力差）に応じた電気信号を出力する機器であって、例えばダイヤフラム式やゲージ式、ベローズ式、熱式などの公知の圧力計などにより構成されている。差圧計の出力はマイクロコンピュータを主体に構成される演算部に供給される。演算部は、差圧計の出力信号などに基づいて、副排気ライン２２内における検査用フィルタ２８の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔＰを検出し、そして、その圧力差ΔＰの時間変化に基づいて排気ガス中のＰＭ濃度を測定する。

　副排気ライン２２の一部は、主排気ライン１４から流入した排気ガスを検査用フィルタ２８側へ導く配管の少なくとも一部を構成する円筒形状の外筒（キャニスタ）２４により形成されている。キャニスタ２４は、円筒状の治具２６により主排気ライン１４に固定されている。キャニスタ２４は、ステンレスなどの強度の高い部材により構成されており、治具２６に溶接などで取り付けられている。また、検査用フィルタ２８は、マットやセラミックペーストなどにより、円筒状の冶具２６やキャニスタ２４に固定されている。

　キャニスタ２４は、軸方向に延在する円筒状の検査用フィルタ２８の外周側を覆っており、主排気ライン１４から流入した排気ガスを検査用フィルタ２８へ導く。検査用フィルタ２８の排気ガス流入側にある端部は、キャニスタ２４の内周側において排気ガス流入側へ突出している。検査用フィルタ２８の排気ガス流入側は、封口部により封止されており、検査用フィルタ２８の外周側は、ろ過部位としてキャニスタ２４内部に臨んでいる。このため、排気ガスは、副排気ライン２２上で検査用フィルタ２８へ導かれると、その検査用フィルタ２８のろ過部位を通して外周側から内周側へ流通する。この際、排気ガス中に含まれるＰＭは、検査用フィルタ２８の外周側に堆積する。

　検査用フィルタ２８には、その内周側にヒータ３０が配設されている。ヒータ３０は、電熱線、シースヒータ、セラミックヒータなどであり、内燃機関１２を搭載する車両などに搭載されるバッテリから電力が供給されることにより昇温される。ヒータ３０は、検査用フィルタ２８全体を所定温度（例えば６００℃）まで加熱することにより、検査用フィルタ２８の外壁に堆積するＰＭを燃焼させて検査用フィルタ２８を再生する。ヒータ３０への電力供給は、演算部による副排気ライン２２内の圧力差ΔＰの検出結果に基づいて制御されることが望ましい。

　次に、本実施形態の排気浄化装置１０の動作について説明する。

　本実施形態において、内燃機関１２から排出された排気ガスは、主排気ライン１４を流通してＤＰＦ１８を通過した後、その大部分は大気へ放出されるが、その一部は副排気ライン２２内へ流入してＰＭセンサ２０に導入される。ＰＭセンサ２０に導入された排気ガス中に含まれるＰＭは、排気ガスがＰＭセンサ２０の検査用フィルタ２８のろ過部分を通過する際にろ過部分に吸着されて堆積する。検査用フィルタ２８でのＰＭの堆積状態が時間変化すると、副排気ライン２２上での検査用フィルタ２８前後の圧力差ΔＰが時間変化することとなる。

　演算部は、ＰＭセンサ２０の差圧計の出力信号に基づいて、副排気ライン２２内における検査用フィルタ２８の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔＰを検出し、そして、その圧力差ΔＰや流量，温度に基づいて、検査用フィルタ２８に堆積するＰＭの量、又は、副排気ライン２２に流れる排気ガス中のＰＭの濃度を算出し、その算出したＰＭの量或いは濃度に基づいて、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの有無を判定する。その判定の結果、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れが生じていることを判定すると、アラーム、ランプの点滅、又はランプの点灯等を行う。従って、ＤＰＦ１８下流側のＰＭ濃度を測定してＤＰＦ１８の故障の有無を判定し、故障が有ると判定される時に排気浄化装置１０を搭載する車両等の運転者にその故障を知らせることが可能である。

　演算部は、また、算出できる検査用フィルタ２８に堆積するＰＭの量が所定の閾値以上であるか否かを判別する。尚、この所定の閾値は、検査用フィルタ２８の再生が必要であるＰＭ堆積量の最小値に設定されている。そして、ＰＭ堆積量が所定の閾値以上であると判別した場合は、バッテリからヒータ３０へ電力供給を行って検査用フィルタ２８を加熱させる。

　ヒータ３０の作動により検査用フィルタ２８が加熱されると、検査用フィルタ２８に堆積するＰＭが燃焼されることで、その検査用フィルタ２８が再生される。従って、検査用フィルタ２８にＰＭが過剰に堆積しても、ヒータ３０の作用により堆積したＰＭを燃焼させて、検査用フィルタ２８を再生することが可能である。

　このように、本実施形態において、検査用フィルタ２８は、ＤＰＦ１８下流側のＰＭ濃度を測定してＤＰＦ１８の故障の有無を判定するのに重要な役割を果たすものである。この検査用フィルタ２８は、ＤＰＦ１８を通過した排気ガスの一部が導かれる副排気ライン２２内に設けられ、キャニスタ２４の内部において円筒状に形成されるが、その検査用フィルタ２８の把持が適切に行われていないと、長期間の使用が行われた場合などに、振動などに起因して検査用フィルタ２８に過大な応力が作用してその破損が発生するおそれがある。一方、検査用フィルタ２８が把持される部位の領域が大きいほど、検査用フィルタ２８が安定して把持されるので、破損が生ずる可能性は小さくなるが、この場合は、検査用フィルタ２８の排気ガスに晒される領域が小さくなるので、排気ガス中のＰＭ濃度の測定が精度よく行われないものとなるおそれがある。

　本実施形態において、治具２６には、検査用フィルタ２８を把持すべく軸方向に向けて空いた貫通孔２６ａが設けられている。検査用フィルタ２８は、貫通孔２６ａを貫通して治具２６により把持されている。治具２６は、上記の如くキャニスタ２４を主排気ライン１４に固定させると共に、検査用フィルタ２８をろ過部分をキャニスタ２４内部に露出させつつ把持する役割を有している。

　治具２６は、軸方向に円筒状に延びる検査用フィルタ２８を把持するのに、検査用フィルタ２８の外周部の（具体的には、ろ過部分の外周部の総ろ過面積に対して）１０％～５０％の面積部分を外周側から覆っている。すなわち、冶具２６が検査用フィルタ２８を把持する把持部分の面積は、検査用フィルタ２８の外周部の面積の１０％～５０％である。これは、把持部分の面積が１０％未満である場合は、振動などの過大な応力により検査用フィルタ２８の破損が生じる可能性があり、また、把持部分の面積が５０％を超える場合は、ＰＭ濃度の測定が精度良く行われない可能性があるためである。

　この場合、検査用フィルタ２８は、排気ガスの流入側に面する封口部を有し、排気ガス流出側で治具２６により把持されており、外周部において治具２６に覆われる領域よりも先端側にある排気ガス流入側の領域を、排気ガス中のＰＭを捕捉するろ過部位として使用する。このため、検査用フィルタ２８は、そのフィルタとしてのろ過面積がある程度大きく確保されつつ、その把持が適切に行われるものとなっている。

　このような排気浄化装置１０のＰＭセンサ２０においては、検査用フィルタ２８のろ過面積がある程度大きく確保されるので、排気ガス中のＰＭ濃度の測定を適切に行うことが可能であると共に、治具２６による検査用フィルタ２８の把持が安定するので、振動などに起因した検査用フィルタ２８への過大な応力作用を抑えることが可能である。従って、本実施形態の排気浄化装置１０のＰＭセンサ２０によれば、検査用フィルタ２８の破損を防止しつつ、排気ガス中のＰＭ濃度の測定を適切に行うことが可能となっている。

　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

　例えば、上記の本発明の実施形態は、ＤＰＦ１８下流側に接続する副排気ライン２２内に、キャニスタ２４の内周側において排気ガス流入側（入口側）へ突出する端部を有しかつその排気ガス流入側が封口部により封止された検査用フィルタ２８を設けたＰＭセンサ２０の例であるが、図３に示す如く、ＤＰＦ１８下流側に接続する副排気ライン１０２内に、キャニスタ２４の内周側において排気ガス流出側（出口側）へ突出する端部を有しかつその排気ガス流出側が封口部により封止された検査用フィルタ１０６を設けたＰＭセンサ１００に適用することとしてもよい。

　かかる本発明の実施形態の変形例のＰＭセンサ１００において、検査用フィルタ１０６は、排気ガス流出側に面する封口部を有し、排気ガス流入側で把持部材１０４により把持される。そして、検査用フィルタ１０６の外周部において把持部材１０４に覆われる領域よりも後端側（下流側）にある排気ガス流出側の領域を、排気ガス中のＰＭを捕捉するろ過部位として使用する。

　そして、把持部材１０４は、軸方向に円筒状に延びる検査用フィルタ１０６を把持するのに、検査用フィルタ１０６の外周部の（具体的には、ろ過部分の外周部の総ろ過面積に対して）１０％～５０％の面積部分を外周側から覆っている。すなわち、把持部材１０４が検査用フィルタ１０６を把持する把持部分の面積は、検査用フィルタ１０６の外周部の面積の１０％～５０％である。これは、把持部分の面積が１０％未満である場合は、振動などの過大な応力により検査用フィルタ１０６の破損が生じる可能性があり、また、把持部分の面積が５０％を超える場合は、ＰＭ濃度の測定が精度良く行われない可能性があるためである。

　このため、検査用フィルタ１０６は、そのフィルタとしてのろ過面積がある程度大きく確保されつつ、その把持が適切に行われるものとなっているので、上記した本発明の実施形態と同様の効果を得ることが可能となっている。

　尚、かかる本発明の実施形態の変形例においては、検査用フィルタ１０６の排気ガスの流入側が把持部材１０４により把持されて、排気ガスが検査用フィルタ１０６の内周側から外周側へろ過部位を通して流通するが、このフィルタ構造では、検査用フィルタ１０６の把持部材１０４に面する内周側（把持部位）に排気ガス中のＰＭが堆積するおそれがある。そこで、その検査用フィルタ１０６の把持部材１０４に面する内周側に排気ガス中のＰＭが堆積しないようにコーティング１０８を施すことが望ましい。かかる本発明の実施形態の変形例によれば、コーティング１０８の存在により、検査用フィルタ１０６の把持部材１０４に面する内周側にＰＭが堆積するのを抑制することができるので、検査用フィルタ１０６を通過する排気ガスの流通が検査用フィルタ１０６の内周面に堆積するＰＭによって阻害されるのを防止することが可能である。

　更に、上記の実施形態は、主排気ライン１４のＤＰＦ１８下流側に接続する副排気ライン２２を設け、その副排気ライン２２内にＰＭセンサ２０を配設して、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れを判定する排気浄化装置１０のシステムであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示す如く、排気ライン１４のＤＰＦ１８上流側に接続する副排気ライン２０２を設け、その副排気ライン２０２内にＰＭセンサ２０４を配設して、主排気ライン１４に流れる排気ガス中のＰＭの濃度を測定する排気浄化装置２００のシステムに適用することとしてもよい。尚、この場合、副排気ライン２０２は、上流側を主排気ライン１４のＤＰＦ１８上流側に接続し、かつ、下流側を主排気ライン１４のＤＰＦ１８下流側に接続することが望ましい。

　かかる本発明の実施形態の変形例においても、ＰＭセンサ２０４の検査用フィルタは、上記した実施形態と同様に、排気ガス流入側に面する封口部を有し、排気ガス流出側で把持部材により把持されており、外周部において把持部材に覆われる領域よりも先端側（上流側）にある排気ガス流入側の領域を、排気ガス中のＰＭを捕捉するろ過部位として使用する。そして、把持部材は、軸方向に円筒状に延びる検査用フィルタを把持するのに、その検査用フィルタの外周部の（具体的には、ろ過部分の外周部の総ろ過面積に対して）１０％～５０％の面積部分を外周側から覆う。このため、かかるフィルタ構造においても、検査用フィルタは、そのフィルタとしてのろ過面積がある程度大きく確保されつつ、その把持が適切に行われるものとなるので、上記した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

　尚、ＰＭセンサ２０４の検査用フィルタは、排気ガスの流出側に面する封口部を有し、排気ガスの流入側で把持部材により把持されることとし、ＰＭセンサ２０４の検査用フィルタの外周部において把持部材に覆われる領域よりも後端側（下流側）にある排気ガス流入側の領域を、排気ガス中のＰＭを捕捉するろ過部位として使用することとしてもよい。このフィルタ構造においても、上記した実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

　１０，２００　排気浄化装置
　１２　内燃機関
　１４　主排気ライン
　１８　ＤＰＦ
　２０，１００，２０４　ＰＭセンサ
　２２，１０２，２０２　副排気ライン
　２６　治具
　２６ａ　貫通孔
　２８，１０６　検査用フィルタ
　３０　ヒータ
　１０４　把持部材
　１０８　コーティング

Claims

　内燃機関の主排気ラインから分岐された副排気ラインに設けられる検査用フィルタと、前記副排気ライン上で前記検査用フィルタを把持する把持部材と、を備える排気浄化用センサであって、
　前記把持部材は、前記検査用フィルタの外周部の１０％～５０％の面積部分を外周側から覆うように把持することを特徴とする排気浄化用センサ。
　前記検査用フィルタの外周部はろ過壁として用いられることを特徴とする請求項１に記載された排気浄化用センサ。
　前記検査用フィルタは、前記把持部材により外周側が覆われ、前記副排気ライン上に把持されることを特徴とする請求項１に記載された排気浄化用センサ。
　前記検査用フィルタは、前記副排気ラインの流入側に面する封口部を有し、前記副排気ラインの流出側で前記把持部材により把持されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載された排気浄化用センサ。
　前記検査用フィルタは、前記副排気ラインの流出側に面する封口部を有し、前記副排気ラインの流入側で前記把持部材により把持されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載された排気浄化用センサ。
　前記把持部材による前記検査用フィルタの把持部位に、前記副排気ライン中の微粒子の堆積を抑制するためのコーティングが施されることを特徴とする請求項５に記載された排気浄化用センサ。
　前記検査用フィルタは、前記微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタからの微粒子漏れを診断し又は前記微粒子捕捉フィルタに捕捉される微粒子量を測定するために設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載された排気浄化用センサ。