本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及對(duì)排氣氣體中包含的粒子狀物質(zhì)(以下，稱作PM)進(jìn)行檢測(cè)的PM傳感器。

背景技術(shù)：

以往，作為對(duì)從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣氣體中的PM進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，已知電阻型PM傳感器。一般來說，電阻型PM傳感器在絕緣性基板的表面上相對(duì)配置一對(duì)導(dǎo)電性電極，利用電阻值因附著于這些電極上的導(dǎo)電性的PM(主要為碳煙(スート)成分)而變化的情況來推定PM量(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1:(日本)特開2012-83210號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

另外，電阻型PM傳感器由于是使PM附著在各電極的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此存在以下課題，即尤其在排氣流量增多的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，附著在電極上的PM的一部分存在脫離的可能性，無法擔(dān)保推定精度。此外，電極間的電阻值在電極因PM的堆積而互相連接之前不顯示出變化，因此存在在電極由PM連接之前的期間無法準(zhǔn)確推定PM量的課題。而且，在通過電加熱器燃燒除去堆積在電極間的PM的再生期間，電極間的電阻值也不顯示出變化，因此存在在該再生期間也無法推定PM量的課題。

因此，在采用電阻型PM傳感器的情況下，無法連續(xù)地推定從引擎排出的PM量，其用途被限定于在比柴油微粒過濾器(以下稱作DPF)更下游側(cè)以機(jī)載(onboard)方式診斷故障。

本發(fā)明鑒于這樣的問題而完成，其目的在于提供一種能夠連續(xù)地推定排氣氣體中包含的PM量的傳感器。

用于解決課題的手段

所公開的傳感器包括：多孔性質(zhì)的過濾器構(gòu)件，包含用于捕獲排氣氣體中的粒子狀物質(zhì)的多個(gè)單元；至少一對(duì)電極構(gòu)件，夾著所述單元地相對(duì)配置而形成電容器；再生部件，若粒子狀物質(zhì)在所述單元中堆積到規(guī)定量，則執(zhí)行將所述單元加熱從而將該堆積的粒子狀物質(zhì)燃燒除去的過濾器再生；存儲(chǔ)部件，作為參照減少量而存儲(chǔ)了在包含粒子狀物質(zhì)的排氣氣體不流入所述過濾器構(gòu)件的狀態(tài)下通過所述再生部件執(zhí)行了過濾器再生時(shí)的所述一對(duì)電極構(gòu)件間的靜電容減少量；以及推定部件，在從所述再生部件進(jìn)行的過濾器再生結(jié)束起直到下一次過濾器再生開始為止的再生間隔期間，基于所述一對(duì)電極構(gòu)件間的靜電容實(shí)際變化量來推定排氣氣體中包含的粒子狀物質(zhì)量，并且在所述再生部件進(jìn)行的過濾器再生期間，基于所述一對(duì)電極構(gòu)件間的靜電容實(shí)際減少量與所述參照減少量之差來推定排氣氣體中包含的粒子狀物質(zhì)量。

附圖說明

圖1是表示應(yīng)用第一實(shí)施方式的PM傳感器的排氣系統(tǒng)的一例的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖2是表示第一實(shí)施方式的PM傳感器的示意局部剖面圖。

圖3是用于說明第一實(shí)施方式的過濾器再生以及PM量的累計(jì)的定時(shí)圖。

圖4是表示第二實(shí)施方式的PM傳感器的示意局部剖面圖。

圖5的(A)是第三實(shí)施方式的PM傳感器的示意立體圖，(B)是第三實(shí)施方式的PM傳感器的示意分解立體圖。

圖6是表示應(yīng)用其他實(shí)施方式的PM傳感器的排氣系統(tǒng)的一例的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖7是表示其他實(shí)施方式的PM傳感器的示意局部剖面圖。

具體實(shí)施方式

以下，基于附圖說明本發(fā)明的各實(shí)施方式的PM傳感器。對(duì)于同一零件附加同一附圖標(biāo)記，它們的名稱和功能也相同。因此，不重復(fù)關(guān)于這些的詳細(xì)的說明。

[第一實(shí)施方式]

圖1是表示應(yīng)用了第一實(shí)施方式的PM傳感器10A的柴油引擎(以下，簡(jiǎn)稱為引擎)100的排氣系統(tǒng)的一例的概略結(jié)構(gòu)圖。在排氣管110中，從排氣上游側(cè)起依次設(shè)有氧化催化劑210、DPF220、NOx凈化催化劑230等。本實(shí)施方式的PM傳感器10A，例如，可以設(shè)置在比DPF220更上游側(cè)的排氣管110或比DPF220更下游側(cè)的排氣管110的任一者中。

接著，基于圖2說明第一實(shí)施方式的PM傳感器10A的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

PM傳感器10A包括：被插入排氣管110內(nèi)的殼體構(gòu)件11、用于將殼體構(gòu)件11安裝到排氣管110的底座部20、容納在殼體構(gòu)件11內(nèi)的傳感器部30以及控制單元40。

殼體構(gòu)件11被形成為將底部側(cè)(圖示例中為下端側(cè))封閉了的有底圓筒狀。殼體構(gòu)件11的筒軸方向的長(zhǎng)度L被形成為與排氣管110的半徑R大致相同的長(zhǎng)度，以使得其底部側(cè)的筒壁部突出到排氣管110的軸中心CL附近。另外，在以下的說明中，將殼體構(gòu)件11的底部側(cè)記作前端側(cè)，并將與底部側(cè)相反側(cè)記作殼體構(gòu)件11的基端側(cè)。

在殼體構(gòu)件11的前端側(cè)筒壁部上，設(shè)有沿周向隔開間隔地配置的多個(gè)導(dǎo)入口12。此外，在殼體構(gòu)件11的基端側(cè)筒壁部上，設(shè)有沿周向隔開間隔地配置的多個(gè)導(dǎo)出口13。導(dǎo)入口12的總開口面積S₁₂被形成得比導(dǎo)出口13的總開口面積S₁₃小(S₁₂<S₁₃)。即，由于導(dǎo)入口12附近的排氣流速V₁₂比導(dǎo)出口13附近的排氣流速V₁₃慢(V₁₂<V₁₃)，因此導(dǎo)入口12側(cè)的壓力P₁₂比導(dǎo)出口13側(cè)的壓力P₁₃高(P₁₂＞P₁₃)。由此，排氣氣體從導(dǎo)入口12被順利地帶入殼體構(gòu)件11內(nèi)，同時(shí)殼體構(gòu)件11內(nèi)的排氣氣體從導(dǎo)出口13被順利地導(dǎo)出到排氣管110內(nèi)。

底座部20包括陽螺紋部21和螺母部22。陽螺紋部21被設(shè)置在殼體構(gòu)件11的基端部，將殼體構(gòu)件11的基端側(cè)開口部封閉。該陽螺紋部21與形成在排氣管110上的凸臺(tái)部110A的陰螺紋部螺合。螺母部22例如是六角螺母，被固定在陽螺紋部21的上端部。在這些陽螺紋部21和螺母部22上形成有用于插入后述的導(dǎo)電線32A、33A等的通孔(未圖示)。

傳感器部30包括過濾器構(gòu)件31、多對(duì)電極32、33以及電加熱器34。

過濾器構(gòu)件31例如是將構(gòu)成由多孔質(zhì)陶瓷的隔墻劃分的格子狀的排氣流路的多個(gè)單元的上游側(cè)和下游側(cè)交替進(jìn)行孔封閉而形成的。在使單元的流路方向?yàn)榕c殼體構(gòu)件11的軸方向(圖中上下方向)大致平行的狀態(tài)下，該過濾器構(gòu)件31介由緩沖構(gòu)件31A被保持在殼體構(gòu)件11的內(nèi)周面。由于排氣氣體從下游側(cè)被孔封閉的單元流入上游側(cè)被孔封閉的單元，從而被從導(dǎo)入口12帶入殼體構(gòu)件11內(nèi)的排氣氣體中的PM被捕獲在隔墻表面或細(xì)孔中。另外，在以下的說明中，將下游側(cè)被孔封閉的單元稱作測(cè)定用單元，將上游側(cè)被孔封閉的單元稱作電極用單元。

電極32、33例如是導(dǎo)電性的金屬線，被從下游側(cè)(非孔封閉側(cè))交替插入夾著測(cè)定用單元地相對(duì)的電極用單元中，從而形成電容器。這些電極32、33介由導(dǎo)電線32A、33A而分別連接到被內(nèi)置于控制單元40的未圖示的靜電容檢測(cè)電路。

電加熱器34是本發(fā)明的再生部件的一例，例如由電熱線等形成。該電加熱器34通過通電發(fā)熱來對(duì)測(cè)定用單元進(jìn)行加熱，從而執(zhí)行將堆積在測(cè)定用單元內(nèi)的PM燃燒除去的所謂過濾器再生。因此，電加熱器34優(yōu)選被彎曲形成為連續(xù)S字形，互相平行的直線部分被沿著流路插入各測(cè)定用單元內(nèi)。

控制單元40進(jìn)行各種控制，包括公知的CPU和ROM、RAM、輸入端口、輸出端口等而構(gòu)成。此外，控制單元40中，作為各個(gè)功能要素，包括過濾器再生控制部41、第1PM量推定部42、第2PM量推定部43和總PM量運(yùn)算部44。這些功能要素將作為被包含在一體硬件的控制單元40中的部分進(jìn)行說明，但也可以設(shè)置為單獨(dú)的硬件。

過濾器再生控制部41是本發(fā)明的再生部件的一例，執(zhí)行過濾器再生控制，即根據(jù)由靜電容檢測(cè)電路(未圖示)檢測(cè)的各電極32、33間的靜電容Cp而將電加熱器34設(shè)為接通(通電)。電極32、33間的靜電容Cp由電極32與33間的介質(zhì)的介電常數(shù)ε、電極32和33的表面積S、電極32與33間的距離d以以下算式(1)表示。

[算式1]

在算式(1)中，電極32、33的表面積S一定，若介電常數(shù)ε以及距離d因測(cè)定用單元中捕獲的PM而變化，則靜電容Cp也隨之進(jìn)行變化。即，在電極32、33間的靜電容Cp和過濾器構(gòu)件31的PM堆積量之間成立比例關(guān)系。如圖3所示，若電極32、33的靜電容Cp達(dá)到表示PM上限堆積量的規(guī)定的靜電容上限閾值C_{P max}，則開始將電加熱器34設(shè)為接通的過濾器再生。該過濾器再生被持續(xù)直到靜電容Cp降低到表示PM完全除去的規(guī)定的靜電容下限閾值C_{P min}為止。

第1PM量推定部42是本發(fā)明的推定部件的一例，在從過濾器再生結(jié)束起直到下一次過濾器再生開始為止的各再生間隔期間，基于電極32、33間的靜電容變化量ΔCp_n來推定運(yùn)算由過濾器構(gòu)件31捕獲的PM量(以下，稱作間隔期間PM量m_{PM Int n})。更詳細(xì)地說，第1PM量推定部42在再生間隔期間基于對(duì)由靜電容檢測(cè)電路(未圖示)檢測(cè)的電極32、33間的靜電容變化量ΔCp_n乘以一次系數(shù)β的以下算式(2)，依次計(jì)算間隔期間PM量m_{PM Int n}。

[算式2]

m_{PM Int n}＝β·ΔCp_n

由第1PM量推定部42計(jì)算出的間隔期間PM量m_{PM Int n}被依次輸入到后述的總PM量運(yùn)算部44。

第2PM量推定部43是本發(fā)明的推定部件的一部分，在過濾器再生執(zhí)行期間，基于電極32、33間的靜電容減少量來推定由過濾器構(gòu)件31捕獲的PM量(以下，稱作再生期間PM量m_{PM Reg n})(參照?qǐng)D3)。以下，說明再生期間PM量m_{PM Reg n}的詳細(xì)的推定方法。

在控制單元40的存儲(chǔ)部(存儲(chǔ)部件)中，作為參照減少量Cp_ref，存儲(chǔ)有預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)等在排氣氣體(新的PM)不流入過濾器構(gòu)件31的狀態(tài)下執(zhí)行了過濾器再生時(shí)測(cè)定的電極32、33間的靜電容減少量。關(guān)于排氣氣體在過濾器再生執(zhí)行過程中流入過濾器構(gòu)件31從而被過濾器構(gòu)件31捕獲的再生期間PM量m_{PM Reg n}(新的PM量)，通過對(duì)在過濾器再生過程中檢測(cè)的電極32、33間的靜電容實(shí)際減少量Cp act與參照減少量Cp ref的偏差乘以一次系數(shù)α，而以以下的算式(3)表示。

[算式3]

m_{PM_Reg_n}＝α·(C_{p_act}-C_{p_ref})

第2PM量推定部43基于該算式(3)實(shí)時(shí)地計(jì)算再生期間PM量m_{PM Reg n}。由該第2PM量推定部43計(jì)算出的再生期間PM量m_{PM Reg n}被依次輸出到總PM量運(yùn)算部44。

總PM量運(yùn)算部44是本發(fā)明的推定部件的一例，基于將從第1PM量推定部42輸入的間隔期間PM量m_{PM Int n}和從第2PM量推定部43輸入的再生期間PM量m_{PM Reg n}交替依次累計(jì)的以下算式(4)，實(shí)時(shí)地計(jì)算從引擎100排出的排氣氣體中的總PM量m_{PM sum}。

[算式4]

m_{PM_sum}＝m_{PM_Int_1}+m_{PM_Reg_1}+m_{PM_Int_2}+m_{PM_Reg_2}+……+m_{PM_Int_n}+m_{PM_Reg_n}

這樣，在本實(shí)施方式中，在再生間隔期間Int_n，基于靈敏度比電阻值更良好的電極32、33間的靜電容變化量ΔCp_n來計(jì)算間隔PM量m_{PM Int n}，并且在過濾器再生期間Reg_n，也基于靈敏度良好的電極32、33間的靜電容減少量來計(jì)算再生期間PM量m_{PM Reg n}，并將它們依次累計(jì)，從而能夠?qū)崟r(shí)且高精度地推定從引擎100排出的排氣氣體中的PM量。

接著，說明本實(shí)施方式的PM傳感器10A的作用效果。

在采用基于電極間的電阻值來推定PM量的電阻型PM傳感器時(shí)，由于在電極的再生期間和各電極因PM而互相連接之前的期間，電阻值不顯示出變化，因此存在無法實(shí)時(shí)推定排氣氣體中的PM量的課題。

相對(duì)于此，本實(shí)施方式的PM傳感器10A構(gòu)成為，在再生間隔期間基于靈敏度良好的電極32、33間的靜電容變化量來推定PM量，在過濾器再生期間也基于靈敏度良好的電極32、33間的靜電容減少量來推定PM量，并將這些推定的PM量依次累計(jì)，從而運(yùn)算排氣氣體中的PM量。從而，根據(jù)本實(shí)施方式的PM傳感器10A，能夠高精度且實(shí)時(shí)地推定從引擎100排出的排氣氣體中的PM量。

此外，在采用使各電極附著PM的電阻型PM傳感器的情況下，例如，在排氣流量增多的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下PM的一部分有可能從電極脫離，存在無法擔(dān)保PM量的推定精度的課題。相對(duì)于此，本實(shí)施方式的PM傳感器10A被構(gòu)成為通過過濾器構(gòu)件31可靠地捕獲排氣氣體中的PM。因此，根據(jù)本實(shí)施方式的PM傳感器10A，即使在排氣流量增多的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下也能夠有效地確保PM量的推定精度。

此外，在本實(shí)施方式的PM傳感器10A中，容納傳感器部30的殼體構(gòu)件11其前端部在排氣管110內(nèi)突出到排氣流速最快的軸中心CL附近。在該殼體構(gòu)件11的前端側(cè)筒壁部設(shè)有用于將排氣氣體引入殼體構(gòu)件11內(nèi)的導(dǎo)入口12。此外，在殼體構(gòu)件11的基端側(cè)筒壁部，設(shè)有開口面積被形成得比導(dǎo)入口12大的導(dǎo)出口13。即，根據(jù)本實(shí)施方式的PM傳感器10A，將導(dǎo)入口12配置在排氣流速快的排氣管110的軸中心CL附近，并增加導(dǎo)出口13的開口面積，從而能夠確保導(dǎo)入口12和導(dǎo)出口13的靜壓差較大，能夠有效地促進(jìn)通過傳感器部30的排氣氣體的流動(dòng)。

[第二實(shí)施方式]

接著，基于圖4說明第二實(shí)施方式的PM傳感器10B的詳細(xì)情況。第二實(shí)施方式的PM傳感器10B是在第一實(shí)施方式的PM傳感器10A中，將殼體構(gòu)件11設(shè)為雙重管結(jié)構(gòu)的方案。關(guān)于其他結(jié)構(gòu)要素，由于是同一結(jié)構(gòu)，因此省略詳細(xì)的說明。此外，關(guān)于導(dǎo)電線32A、33A和控制單元40，省略圖示。

第二實(shí)施方式的殼體構(gòu)件11包括有底圓筒狀的內(nèi)側(cè)殼體部11A和包圍內(nèi)側(cè)殼體部11A的圓筒外周面的圓筒狀的外側(cè)殼體部11B。

內(nèi)側(cè)殼體部11A的軸方向長(zhǎng)度比外側(cè)殼體部11B形成得長(zhǎng)，以使前端側(cè)比外側(cè)殼體部11B突出。此外，在內(nèi)側(cè)殼體部11A的底部，設(shè)有將內(nèi)側(cè)殼體部11A內(nèi)的排氣氣體導(dǎo)出到排氣管110內(nèi)的導(dǎo)出口13。而且，在內(nèi)側(cè)殼體部11A的基端側(cè)的筒壁部，設(shè)有在圓周方向上隔開間隔地配置的多個(gè)通過口14。該通過口14使由內(nèi)側(cè)殼體部11A的外周面和外側(cè)殼體部11B的內(nèi)周面所劃分出的流路15內(nèi)的排氣氣體通過內(nèi)側(cè)殼體部11A內(nèi)。

在流路15的下游端，形成有由內(nèi)側(cè)殼體部11A的前端側(cè)筒壁部和外側(cè)殼體部11B的前端部劃分出的圓環(huán)狀的導(dǎo)入口12。導(dǎo)入口12的開口面積S₁₂被形成得比導(dǎo)出口13的開口面積S₁₃小(S₁₂<S₁₃)。

即，流過排氣管110的排氣氣體碰到比外側(cè)殼體部11B突出的內(nèi)側(cè)殼體部11A的筒壁面，并從配置在排氣管110的軸中心CL附近的導(dǎo)入口12被順利地引入流路15內(nèi)。而且，流過流路15內(nèi)的排氣氣體被從通過口14引入內(nèi)側(cè)殼體部11A，并且在通過過濾器構(gòu)件31后，從配置在排氣管110的軸中心CL附近的導(dǎo)出口13被順利地導(dǎo)出到排氣管110。這樣，在第二實(shí)施方式的PM傳感器10B中，通過將導(dǎo)入口12和導(dǎo)出口13配置在排氣管110內(nèi)排氣流速最快的軸中心CL附近，從而能夠有效地提高通過過濾器構(gòu)件31的排氣流量。

[第三實(shí)施方式]

接著，基于圖5說明第三實(shí)施方式的PM傳感器的詳細(xì)情況。第三實(shí)施方式的PM傳感器是將第一實(shí)施方式的傳感器部30設(shè)為層疊類型的方案。關(guān)于其他結(jié)構(gòu)要素，由于是同一結(jié)構(gòu)，因此省略詳細(xì)的說明和圖示。

圖5的(A)表示第三實(shí)施方式的傳感器部60的立體圖，圖5(B)表示傳感器部60的分解立體圖。傳感器部60包括多個(gè)過濾器層61和多張第1及第2電極板62、63。

過濾器層61將例如由多孔質(zhì)陶瓷等隔墻劃分而構(gòu)成排氣流路的多個(gè)單元的上游側(cè)和下游側(cè)交替進(jìn)行孔封閉，并且形成為將這些單元在一個(gè)方向上并列配置的長(zhǎng)方體狀。如圖5(B)中虛線箭頭所示，排氣氣體從下游側(cè)被孔封閉的單元C1流入上游側(cè)被孔封閉的單元C2，由此，排氣氣體中包含的PM被捕獲在單元C1的隔墻表面或細(xì)孔中。另外，在以下說明中，將單元流路方向作為傳感器部60的長(zhǎng)度方向(圖5的(A)中的箭頭L)，并將與單元流路方向正交的方向作為傳感器部60的寬度方向(圖5的(A)中的箭頭W)。

第1和第2電極板62、63例如為平板狀的導(dǎo)電性構(gòu)件，其長(zhǎng)度方向L以及寬度方向W的外形尺寸被形成為與過濾器層61大致相同。這些第1和第2電極板62、63夾著過濾器層61地交替層疊，并且經(jīng)由導(dǎo)電線62A、63A而與內(nèi)置于控制單元40的未圖示的靜電容檢測(cè)電路分別連接。

即，將第1電極板62和第2電極板63相對(duì)配置，并在這些電極板62、63之間夾持過濾器層61，從而單元C1整體形成電容器。這樣，在第三實(shí)施方式的PM傳感器中，通過平板狀的電極板62、63而使單元C1整體成為電容器，能夠有效地確保電極表面積S，并且能夠提高所能夠檢測(cè)的靜電容絕對(duì)值。此外，電極間距離d成為單元間距并且被均一化，從而能夠有效地抑制初始靜電容的不均。

另外，在將單元C1中堆積的PM燃燒除去時(shí)，對(duì)電極板62、63直接施加電壓，或者在過濾器層61和電極板62、63之間夾設(shè)未圖示的加熱器基板等即可。

[其他]

本發(fā)明不限定于上述各實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)變形后實(shí)施。

例如，如圖6所示，也可以構(gòu)成為在排氣管110連接從氧化催化劑210和DPF220之間分支并在比NOx凈化催化劑230靠上游側(cè)合流的旁路管190，并將第一實(shí)施方式的傳感器部30或第三實(shí)施方式的傳感器部60配置在旁路管190內(nèi)。

此外，如圖7所示，在第一實(shí)施方式(或第二實(shí)施方式)中，也可以調(diào)換導(dǎo)入口12和導(dǎo)出口13的位置，并將被導(dǎo)入殼體構(gòu)件11內(nèi)的排氣氣體的流動(dòng)設(shè)為反向。在該情況下，將過濾器構(gòu)件31在殼體構(gòu)件11內(nèi)反轉(zhuǎn)容納即可。