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1. WO2016117577 - CAPTEUR

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明 細 書

発明の名称 センサ

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082  

産業上の利用可能性

0083  

符号の説明

0084  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : センサ

技術分野

[0001]
 本発明は、センサに関し、特に、排気ガス中に含まれる粒子状物質(以下、PMという)の粒径(毎)総数の排出量を検出するPM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の粒径分布及び排出量を検出するセンサが知られている。例えば、気孔率の異なるフィルタを、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、気孔率の高い順に設けて室を区画し、室内に捕集された粒径毎のPMを燃焼させた際の固体電解質層で生じる起電力に基づいてPMの粒径分布及び排出量を検出するセンサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 日本国特開2009-42021号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 ところで、特許文献1に記載されたセンサは、固体電解質層で生じる起電力を利用するため、測定時には排気ガスの流れを止めてPMを捕集した室を閉空間にする必要がある。測定時に排気ガスの流れを止めることから、このセンサでは、PMの捕集量を連続的に検出することは考慮されていない。また装置が大型化し、自動車等にセンサとして装着するには重量、大きさ、コスト等で課題が多く不適である。
[0005]
 本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、排気ガス中に含まれるPMの粒径毎のPM量を連続的に推定することができるセンサを提供することにある。また自動車等への搭載も可能としている。

課題を解決するための手段

[0006]
 本開示のセンサは、排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに気孔率が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記気孔率が高い順に配置した捕集部と、複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに気孔率が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段とを備える。
[0007]
 また、本開示のセンサは、排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに平均孔径が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記平均孔径が大きい順に配置した捕集部と、複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに平均孔径が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段とを備える。
[0008]
 また、本開示のセンサは、排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに異なる物性値を有する複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記物性値が高い順に配置した捕集部と、複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、制御ユニットとを備えるセンサであって、前記物性値は気孔率または平均孔径であり、前記制御ユニットは以下の処理を実行するように動作する:
前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに異なる物性値を有する前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定処理。

発明の効果

[0009]
 本開示のセンサによれば、排気ガス中に含まれるPMの粒径毎のPM量を連続的に推定することができる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 図1は、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] 図2は、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] 図3は、第一実施形態のPMセンサの要部を示す部分拡大断面図である。
[図4] 図4は、第一実施形態に係るフィルタ再生、フィルタ温度の変化及び、PM量の積算を説明するタイミングチャート図である。
[図5] 図5は、第二実施形態のPMセンサを示す模式的な部分断面図である。
[図6] 図6は、第三実施形態に係るPMセンサの模式的な斜視図である。
[図7] 図7は、(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。
[図8] 図8は、第四実施形態に係るPMセンサの模式的な断面図である。
[図9] 図9は、他の実施形態の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。

発明を実施するための形態

[0011]
 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。
[0012]
 [第一実施形態]
 図1は、第一実施形態のセンサ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、DPF220、NOx浄化触媒230が設けられている。本実施形態のセンサ10Aは、好ましくは、DPF220よりも下流側の排気管110に設けられている。なお、センサ10Aを、酸化触媒210よりも上流側の排気管110に設けてもよい。
[0013]
 次に、図2に基づいて本実施形態に係るセンサ10Aの詳細構成について説明する。
[0014]
 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内に収容された第1センサ部30L、第2センサ部30M、及び第3センサ部30Sと、コントロールユニット40を備えている。
[0015]
 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。
[0016]
 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。
[0017]
 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、後述する各導電線34L,34M,34S,35L,35M,35S等を挿通させる貫通孔(不図示)が形成されている。
[0018]
 第1センサ部30Lは、第1フィルタ部材31Lと、複数対の第1電極32L,33Lを備えている。
[0019]
 第1フィルタ部材31Lは、本発明の捕集部の一部を構成し、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。この第1フィルタ部材31L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。図3に破線の矢印で示すように、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PMは、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第1測定用セルC1 といい、上流側が目封止されたセルを第1電極用セルC2 という。
[0020]
 第1電極32L,33Lは、例えば導電性の金属線であり、第1フィルタ部材31Lの測定用セル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。これら第1電極32L,33L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第1導電線34L,35Lを介してそれぞれ接続されている。
[0021]
 図2に示すように、第2センサ部30Mは、第2フィルタ部材31Mと、複数対の第2電極32M,33Mを備えている。
[0022]
 第2フィルタ部材31Mは、本発明の捕集部の一部を構成し、第1フィルタ部材31Lよりも、排気ガスの流れ方向における下流側に配置され、クッション部材CM を介してケース部材11の内周面に保持されている。この第2フィルタ部材31Mは、第1フィルタ部材31Lよりも低い気孔率(或は、小さい平均気孔径)とされている。すなわち、第2フィルタ部材31Mには、第1フィルタ部材31Lに設けられた気孔よりも径の小さな気孔が設けられており、第1フィルタ部材31Lによって捕集されなかった排気ガス中のPMを捕集する。
[0023]
 図3に示すように、第2フィルタ部材31Mもまた、第1フィルタ部材31Lと同様に、下流側が目封止された測定用セルC1 、及び上流側が目封止された電極用セルC2Mを有している。第2電極32M,33Mは、例えば導電性の金属線であり、第2フィルタ部材31Mの測定用セル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。これら第2電極32M,33Mは、静電容量検出回路に第2導電線34M,35Mを介してそれぞれ接続されている。
[0024]
 図2に示すように、第3センサ部30Sは、第3フィルタ部材31Sと、複数対の第3電極32S,33Sを備えている。
[0025]
 第3フィルタ部材31Sは、本発明の捕集部の一部を構成し、第2フィルタ部材31Mよりも、排気ガスの流れ方向における下流側に配置され、クッション部材CM を介してケース部材11の内周面に保持されている。
[0026]
 この第3フィルタ部材31Sは、第2フィルタ部材31Mよりも低い気孔率(或は、小さい平均気孔径)とされている。すなわち、第3フィルタ部材31Sには、第2フィルタ部材31Mに設けられた気孔よりも径の小さな気孔が設けられており、第2フィルタ部材31Mによっても捕集されなかった排気ガス中のPMを捕集する。
[0027]
 図3に示すように、第3フィルタ部材31Sもまた、第1フィルタ部材31Lや第2フィルタ部材31Mと同様に、下流側が目封止された測定用セルC1 、及び上流側が目封止された電極用セルC2 を有している。
[0028]
 第3電極34S,35Sは、例えば導電性の金属線であり、第3フィルタ部材31Sの測定用セル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。これら第3電極32S,33Sは、静電容量検出回路に第3導電線34S,35Sを介してそれぞれ接続されている。
[0029]
 図2に示すように、これらの各センサ部30L、30M、30Sに対し、電気ヒータ36が設けられている。この電気ヒータ36は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ36は、通電により発熱して各フィルタ部材31L、31M、31Sが備える測定用セルC1 ,C1 ,C1 を加熱することで、測定用セル内に堆積したPMを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生(以下、センサ再生ともいう)を実行する。このため、電気ヒータ36は、各フィルタ部材31L、31M、31Sにて連続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 ,C1 ,C1 の内部に流路に沿って挿入されている。本実施形態の電気ヒータ36は、各センサ部30L、30M、30Sを巡る状態で一連の電熱線を配置しているので、これらのセンサ部30L、30M、30Sを一括して加熱する。
[0030]
 コントロールユニット40は、各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、コントロールユニット40は、フィルタ再生制御部41と、第1PM量推定部42と、第2PM量推定部43と、第3PM量推定部44と、総PM量推定部45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。
[0031]
 フィルタ再生制御部41は、本発明の再生手段の一例であって、静電容量検出回路(不図示)によって検出される各電極32L,32M,32Sと対になる各電極33L,33M,33Sの間の静電容量Cp ,Cp ,Cp に応じて電気ヒータ36をON(通電)にするフィルタ再生制御を実行する。
[0032]
 ここで、第1電極32L,33L間の静電容量Cp は、第1電極32L,33L間の媒体の誘電率ε 、第1電極32L,33Lの表面積S 、第1電極32L,33L間の距離d とする以下の数式(1)で表される。
[0033]
[数1]


 数式(1)において、第1電極32L,33L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、第1電極32L,33L間の静電容量Cp と第1フィルタ部材31LのPM堆積量との間には比例関係が成立する。
[0034]
 また、第2電極32M,33M間の静電容量Cp は、第2電極32M,33M間の媒体の誘電率ε 、第2電極32M,33Mの表面積S 、第2電極32M,33M間の距離d とする以下の数式(2)で表される。
[0035]
[数2]


 数式(2)において、第2電極32M,33M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。このため、第1電極32L,33Lと同様に、第2電極32M,33M間の静電容量Cp と第2フィルタ部材31MのPM堆積量との間には比例関係が成立する。
[0036]
 また、第3電極32S,33S間の静電容量Cp は、第3電極32S,33S間の媒体の誘電率ε 、第3電極32S,33Sの表面積S 、第3電極32S,33S間の距離d とする以下の数式(3)で表される。
[0037]
[数3]


 数式(3)において、第3電極32S,33Sの表面積S は一定であり、測定用セルC1S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。このため、第1電極32L,33L等と同様に、第3電極32S,33S間の静電容量Cp と第2フィルタ部材31SのPM堆積量との間には比例関係が成立する。
[0038]
 本実施形態では、第1PM量推定部42、第2PM量推定部43、及び第3PM量推定部44で各フィルタ部材31L,31M,31SのPM堆積量を推定している。
[0039]
 第1PM量推定部42は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第1フィルタ部材31Lで捕集されるPM量を、第1電極32L,33L間の静電容量変化量ΔCp に基づいて推定演算する。
[0040]
 第2PM量推定部43は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第2フィルタ部材31Mで捕集されるPM量を、第2電極32M,33M間の静電容量変化量ΔCp に基づいて推定演算する。
[0041]
 第3PM量推定部44は、本発明の推定手段の一例であって、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に第3フィルタ部材31Sで捕集されるPM量を第3電極32S,33S間の静電容量変化量ΔCp に基づいて推定演算する。
[0042]
 より詳しくは、各PM量推定部42~44は、再生インターバル期間に静電容量検出回路(不図示)によって検出される各電極32L、32M、32Sと、対になる各電極33L、33M、33Sとの間の静電容量変化量ΔCp 、ΔCp 、ΔCp のそれぞれに一次の係数βを乗算する以下の数式(4)~(6)に基づいて、インターバル期間PM量m PM_Int_L、m PM_Int_M、m PM_Int_Sを順次演算する。
[0043]
[数4]


[0044]
 図4に示すように、フィルタ再生制御部41は、第1フィルタ部材31Lが備える第1電極32L,33Lの静電容量Cp 、第2フィルタ部材31Mが備える第2電極32M,33Mの静電容量Cp 、第3フィルタ部材が備える第3電極32S,33Sの静電容量Cp の何れかが、PM上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Cp L_max,Cp M_max,Cp S_maxに達すると、電気ヒータ36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、前述したように、全てのフィルタ部30L,30M,30Sに対して行われ、対象となった電極の静電容量がPMの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Cp L_min,Cp M_min,Cp S_minに低下するまで継続される。
[0045]
 図4に示す例では、フィルタ再生時刻t からフィルタ再生時刻t までの第1インターバル期間T において第1フィルタ部材31Lの静電容量Cp が静電容量上限閾値Cp L_maxに達したことから、各フィルタ部材31L,31M,31Sに対してフィルタ再生が行われている。
[0046]
 同様に、フィルタ再生時刻t からフィルタ再生時刻t までの第2インターバル期間T において第3フィルタ部材31Sの静電容量Cp が静電容量上限閾値Cp S_maxに達し、フィルタ再生時刻t からフィルタ再生時刻t までの第3インターバル期間T において第2フィルタ部材31Mの静電容量Cp が静電容量上限閾値Cp M_maxに達したことから、各フィルタ部材31L,31M,31Sに対してフィルタ再生が行われている。
[0047]
 総PM量推定部45は、センサ10Aの全体に堆積されているPM量を推定する部分である。このため、総PM量推定部45は、第1PM量推定部42、第2PM量推定部43、及び第3PM量推定部44からの推定値をリアルタイムで受け取って合算し、総PM量の推定値を取得する。
[0048]
 このように、本実施形態のセンサ10Aでは、再生インターバル期間T は静電容量変化量ΔCp 、ΔCp 、ΔCp に基づいてインターバルPM量m PM_Int_L、m PM_Int_M、m PM_Int_Sを演算することで、エンジン100から排出される排気ガス中のPM量をリアルタイム且つ高精度に推定することが可能になる。
[0049]
 また、センサ10Aは、孔径の異なる3種類のフィルタ部材31L,31M,31Sを含むセンサ部30L,30M,30Sを備えている。そして、気孔率の低い孔径の小さいフィルタ部材が、気孔率の高い孔径の大きいフィルタ部材よりも排気ガスの流れ方向の下流側となるように、各センサ部30L,30M,30Sが配置されている。これにより、排気ガス中のPMを粒径毎に分けた状態で各フィルタ部材31L,31M,31Sに堆積させることができ、粒径毎のPM量をリアルタイム且つ高精度に推定することが可能になる。
[0050]
 また、電気ヒータ36は、各フィルタ部材31L,31M,31Sを巡る状態で一連に配置されているので、1つのフィルタ部材における再生処理で別のフィルタ部材に堆積されたPMが焼失する不具合を抑制できる。これにより、粒径毎のPM量をより高精度に推定することが可能になる。
[0051]
 また、本実施形態のPMセンサ10Aでは、センサ部30を収容したケース部材11は、その先端部を排気管110内で排気流速が最も速い軸中心CL近傍まで突出させている。このケース部材11の先端側筒壁部には、ケース部材11内に排気ガスを取り込む導入口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、導入口12よりも開口面積を大きく形成した導出口13が設けられている。すなわち、本実施形態のPMセンサ10Aによれば、導入口12を排気流速が速い排気管110の軸中心CL近傍に配置し、導出口13の開口面積を大きくしたことで、導入口12と導出口13との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部30を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。
[0052]
 本実施形態のPMセンサ10Aは、排気ガス中のPMを各フィルタ部材31L,31M,31Sで確実に捕集するように構成されている。したがって、このPMセンサ10Aによれば、排気流量が多くなる運転状態においてもPM量の推定精度を効果的に確保することができる。
[0053]
 [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11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。
[0054]
 第二実施形態のケース部材11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11Bとを備えている。
[0055]
 内側ケース部11Aは、先端側が外側ケース部11Bよりも突出するように、その軸方向長さを外側ケース部11B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11A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11Bの内周面とで区画された流路15内の排気ガスを内側ケース部11A内に通過させる。
[0056]
 流路15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11B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)。
[0057]
 すなわち、排気管110を流れる排気ガスは、外側ケース部11B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15内に円滑に取り込まれる。さらに、流路15内を流れる排気ガスは、通過口14から内側ケース部11A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、フィルタ部材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。
[0058]
 [第三実施形態]
 次に、第三実施形態に係るセンサ10Cの詳細について説明する。図6に示すように、第三実施形態のセンサ10Cは、第一実施形態の各センサ部30L,30M,30Sを、積層タイプのセンサ部60L,60M,60Sにしたものである。
[0059]
 ここで、センサ部60L,60M,60Sの間における違いは、各フィルタ層61L,61M,61Sの気孔率にある。このため、各フィルタ層61L,61M,61Sの外観は同じである。また、各第1電極板62L、62M、62S、及び各第2電極板63L、63M、63Sについては同一の部材である。
[0060]
 このため、以下の説明では、各フィルタ層61L,61M,61Sをフィルタ層61として説明し、各第1電極板62L、62M、62Sを第1電極板62として説明し、各第2電極板63L、63M、63Sを第2電極板63として説明する。同様に、各導電線64L,64M,64Sと、対になる導電線65L,65M,65Sについても、導電線64,65として説明する。なお、各センサ部60L,60M,60S以外の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。
[0061]
 図7(A)は、センサ10Cが備える各センサ部60L,60M,60Sの斜視図、図7(B)は各センサ部60L,60M,60Sの分解斜視図をそれぞれ示している。
[0062]
 各センサ部60L,60M,60Sは、複数のフィルタ層61と、複数枚の第1及び第2電極板62,63と、導電線64,65を備えている。
[0063]
 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7(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、セル流路方向を各センサ部60L,60M,60Sの長さ方向(図7(A)中の矢印L)とし、セル流路方向と直交する方向を各センサ部60L,60M,60Sの幅方向(図7(A)中の矢印W)とする。
[0064]
 第1及び第2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。これら第1及び第2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。
[0065]
 すなわち、第1電極板62と第2電極板63とを対向配置し、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、第三実施形態のセンサ10C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可能になる。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。
[0066]
 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。
[0067]
 [第四実施形態]
 次に、第四実施形態に係るセンサ10Dの詳細について説明する。図8に示すように、第四実施形態のセンサ10Dは、第一実施形態の各センサ部30L,30M,30Sを、気孔率及び、平均気孔径の異なるセラミックスで形成したセンサ部70L,70M,70Sにしたものである。
[0068]
 図8は、センサ10Dが備える各センサ部70L,70M,70Sの排気流れ方向の断面図を示している。
[0069]
 各センサ部70L,70M,70Sは、フィルタ層71L,71M,71Sと、第1電極板72L,72M,72S及び第2電極板73L,73M,73Sと、導電線74,75を備えている。
[0070]
 各フィルタ層71L,71M,71Sは、多孔質セラミックスで構成され、PMを捕集する複数の孔76L,76M,76Sと、各孔76L,76M,76Sをそれぞれ形成する壁部77L,77M,77Sを有する。
[0071]
 フィルタ層71Lの気孔率は、フィルタ層71M及び、フィルタ層71Sの気孔率よりも大きい。また、フィルタ層71Lの各孔76Lの孔径を平均した平均気孔径は、他のフィルタ層71M,71Sの平均気孔径よりも大きく形成されている。つまり、本実施形態では、排気ガスの排気上流から下流へ気孔率が高い(或は、平均気孔径が大きい)順にフィルタ層71L,71M,71Sが配置されている。
[0072]
 各センサ部70L,70M,70Sに流入する排気ガス中に含まれるPMは、前述の壁部77L,77M,77Sで区画形成された孔76L,76M,76S内に向かって流れる。各センサ部70L,70M,70Sの孔76L,76M,76Sの径より大きな径のPMは孔76L,76M,76Sに捕集され、一方、孔76L,76M,76Sの径より小さな径のPMは孔76L,76M,76Sを通過して、フィルタ層71L,71M,71Sの下流に流れる。このようにして、排気ガスの排気上流側から順に気孔率が小さく(或は、平均気孔径が小さく)なるように配置されたフィルタ層71L,71M,71Sのそれぞれの気孔率に対応する孔径より大きな径のPMが各センサ部70L,70M,70Sのフィルタ層71L,71M,71Sに捕集される。
[0073]
 第1電極板72L,72M,72S及び第2電極板73L,73M,73Sは、例えば、平板状の導電性部材であって、その外形寸法をフィルタ層71L,71M,71Sと略同一に形成されている。これら第1電極板72L,72M,72S及び第2電極板73L,73M,73Sは、フィルタ層71L,71M,71Sを挟んで配置されると共に、導電線74,75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。
[0074]
 すなわち、第1電極板72L,72M,72Sと第2電極板73L,73M,73Sとを対向配置し、これら第1電極板72L,72M,72Sと第2電極板73L,73M,73S間にフィルタ層71L,71M,71Sを挟持させたことで、孔76L,76M,76S全体がコンデンサを形成するようになっている。
[0075]
 なお、孔76L,76M,76Sに堆積したPMを燃焼除去する場合は、電極板第1電極板72L,72M,72S及び第2電極板73L,73M,73Sに電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層71L,71M,71Sと第1電極板72L,72M,72S及び第2電極板73L,73M,73Sとの間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
[0076]
 本実施形態のフィルタ層71L,71M,71Sは、コージェライトのセラミックスで形成するのが好適であるが、耐熱性を有し、排ガスが通過可能で、かつ、気孔率が把握可能な部材であれば、それらをフィルタ層を構成する部材として適用することができる。
[0077]
 [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。
[0078]
 例えば、図9に示すように、排気管110に酸化触媒210とDPF220との間から分岐してNOx浄化触媒230よりも上流側で合流するバイパス管190を接続し、第一実施形態のセンサ部30L,30M,30S又は、第三実施形態のセンサ部60L,60M,60Sをバイパス管190内に配置して構成してもよい。
[0079]
 また、上述の実施形態では、単一の電気ヒータ36を用いて複数のセンサ部30L,30M,30Sをまとめて加熱していたが、各センサ部30L,30M,30Sに電気ヒータを個別に設けて再生制御を行ってもよい。この場合、再生対象となるセンサ部と、このセンサ部よりも排気ガスの流れ方向における下流側に位置するセンサ部については、まとめて再生処理をすることが好ましい。つまり、1つのフィルタ部材の前記セルに堆積された粒子状物質量が所定量以上になった場合には、当該フィルタ部材及び当該フィルタ部材に下流側で隣接するフィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を加熱して粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する。これは、上流側のセンサ部の再生処理時に生じた加熱後の排気ガスによって、下流側に堆積されたPMが焼失する可能性があるためである。
[0080]
 また、上述の実施形態では気孔の大きさが異なる3種類のフィルタ部材31L,31M,31Sが備えられていたが、フィルタ部材の種類の数はこれに限定されない。2種類以上のフィルタ部材が備えられていればよい。
[0081]
 また、図示は省略するが、第一実施形態(又は、第二実施形態)において、導入口12と導出口13との位置を入れ替えて、ケース部材11内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材31L,31M,31Sを、ケース部材11内に反転させて収容すればよい。
[0082]
 本出願は、2015年01月20日付で出願された日本国特許出願(特願2015-008668)、及び2016年01月13日付で出願された日本国特許出願(特願2016-004641)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

産業上の利用可能性

[0083]
 本発明のセンサは、排気ガス中に含まれるPMの粒径毎のPM量を連続的に推定することができるという点において有用である。

符号の説明

[0084]
10A,10B,10C、10D 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
30L 第1センサ部
30M 第2センサ部
30S 第3センサ部
31L 第1フィルタ部材(捕集部)
31M 第2フィルタ部材(捕集部)
31S 第3フィルタ部材(捕集部)
32L,33L 第1電極
32M,33M 第2電極
32S,33S 第3電極
36 電気ヒータ(再生手段)
40 コントロールユニット
41 フィルタ再生制御部(再生手段)
42 第1PM量推定部(推定手段)
43 第2PM量推定部(推定手段)
44 第3PM量推定部(推定手段)
45 総PM量演算部

請求の範囲

[請求項1]
 排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに気孔率が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記気孔率が高い順に配置した捕集部と、
 複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、
 前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに気孔率が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段と、を備える
 ことを特徴とするセンサ。
[請求項2]
 排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに平均孔径が異なる複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記平均孔径が大きい順に配置した捕集部と、
 複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、
 前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに平均孔径が異なる前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定手段と、を備える
 ことを特徴とするセンサ。
[請求項3]
 1つの前記フィルタ部材に捕集された前記粒子状物質量が所定量以上になった場合に、少なくとも当該フィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を加熱して前記粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生手段をさらに備える
 請求項1又は2に記載のセンサ。
[請求項4]
 前記推定手段は、前記再生手段によるフィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル期間に、前記一対の電極部材間の前記静電容量変化量に基づいて推定した前記粒子状物質量を順次積算することで、前記排気ガス中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
 請求項3に記載のセンサ。
[請求項5]
 前記フィルタ部材は多孔質隔壁で区画されたセルを備えたフィルタ部材であって、
 前記再生手段は、前記セル内に挿入されて通電により発熱する電熱線を含む
 請求項1から4の何れか一項に記載のセンサ。
[請求項6]
 前記フィルタ部材が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、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第1及び第2電極板であり、前記再生手段が通電により発熱する平板状のヒータ基板を含み、当該ヒータ基板が前記第1電極板と前記フィルタ層との間又は、前記第2電極板と前記フィルタ層との間の何れかに介設される
 請求項1から5の何れか一項に記載のセンサ。
[請求項7]
 排気ガス中の粒子状物質を捕集する互いに異なる物性値を有する複数のフィルタ部材を、前記排気ガスの排気上流から下流へ前記物性値が高い順に配置した捕集部と、
 複数の前記フィルタ部材のそれぞれに前記フィルタ部材を挟んで対向配置される一対の電極と、
 制御ユニットと
を備えるセンサであって、
 前記物性値は気孔率または平均孔径であり、
 前記制御ユニットは以下の処理を実行するように動作する:
 前記一対の電極間の静電容量変化量に基づいて、互いに異なる物性値を有する前記フィルタ部材のそれぞれに捕集された粒子状物質量を、当該フィルタ部材毎にそれぞれ推定する推定処理。
[請求項8]
 前記制御ユニットはさらに以下の処理を実行するように動作する、請求項7に記載のセンサ:
 1つの前記フィルタ部材に捕集された前記粒子状物質量が所定量以上になった場合に、少なくとも当該フィルタ部材を含む複数のフィルタ部材を加熱して前記粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生処理。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]