粒子状物質検出センサ
【目的】アイドル運転時等のＰＭ排出量が低い場合でも精度良くＰＭ排出量を検出可能な粒子状物質検出センサとその制御方法を提供する。
【解決手段】電気化学反応によりＰＭを消費し、その変化を電流値、電圧値又は電力値のいずれかで検出して、被測定ガス２００中のＰＭ量を算出する粒子状物質検出センサ１において、印加電圧、電流又は電力を制御可能な電源制御手段１４と、電圧、電流又は電力印加時に、センサに流れる電流を検出すると共に、該電流を積算する積算手段１４２とを設けて、低ＰＭ量排出時であると判定された時に粒子状物質検出センサ１０への通電を所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ制限した後、通電を再開して、所定の積算時間Ｔ２だけ、粒子状物質検出センサ１０に流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から、低ＰＭ量排出時における飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））を算出する。
【解決手段】電気化学反応によりＰＭを消費し、その変化を電流値、電圧値又は電力値のいずれかで検出して、被測定ガス２００中のＰＭ量を算出する粒子状物質検出センサ１において、印加電圧、電流又は電力を制御可能な電源制御手段１４と、電圧、電流又は電力印加時に、センサに流れる電流を検出すると共に、該電流を積算する積算手段１４２とを設けて、低ＰＭ量排出時であると判定された時に粒子状物質検出センサ１０への通電を所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ制限した後、通電を再開して、所定の積算時間Ｔ２だけ、粒子状物質検出センサ１０に流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から、低ＰＭ量排出時における飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関の燃焼排気を被測定ガスとして、被測定ガス中の炭素量の検知に適した粒子状物質検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コモンレール式燃料噴射システム、過給器システム、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ、選択触媒還元（ＳＣＲ）システム、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を組み合わせて、ディーゼル機関やガソリンリーンバーン機関等の燃焼排気中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ、粒子状物質（ＰＭ）、未燃炭化水素ＨＣ等の環境負荷物質の低減が図られている。
このようなシステムに用いられるＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナやヒータ等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている。
内燃機関の燃焼効率をさらに向上すべく、このようなＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの劣化、破損等を検出するＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）や、内燃機関のフィードバック制御等において、燃焼排気中に含まれるＰＭ量を高精度で連続的に検出できる検出手段が望まれている。
【０００３】
被測定ガス中のＰＭ量を検出する粒子状物質検出センサとして、一定距離を隔てて対向する一対の電極間に堆積したＰＭによって、該電極対の間に形成される導電パスの抵抗値変化を計測する抵抗測定式の粒子状物質検出センサが知られ、このような粒子状物質検出センサでは、電極対の間に一定量以上のＰＭが堆積するまでは、電極対の間の抵抗値が極めて高く、電極対の間に流れる電流を検出することができない不感期間が存在することが知られており、不感期間を解消するための手段について種々提案されている（特許文献１等）。
【０００４】
特許文献２には、被測定ガス中の炭素量を連続的に検出するセンサとして、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質体と、その一方の表面に設けられ被測定ガスに対向する測定電極と、その他方の面に被測定ガスから離隔された基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記電源から上記電極対の間への通電により、被測定ガス中に存在する炭素成分を測定電極上において電気化学反応を生じさせて被測定ガス中の炭素量を検出する粒子状物質検出センサが開示されている。
特許文献２に記載の粒子状物質検出センサでは、被測定ガス中に含まれる炭素成分と水蒸気との電気化学反応によって発生したプロトンが固体電解質体を移動するときの電流を検出するので、特許文献１にあるような抵抗測定式の粒子状物質検出センサのように、一定以上のＰＭが堆積するまでＰＭの排出が検出されない不感期間が存在せず、精度良くＰＭを検出できると期待された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献２にあるような、検出電極上に存在するＰＭを電気化学反応によって燃焼させ、このとき発生したプロトンが固体電解質体内を移動することにより発生する電流の変化を検出することによって、被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出しようとしたとき、ＰＭ排出量が低いと、検出される電流値も小さくなるため、測定誤差が大きく、測定誤差に埋もれて正確なＰＭ排出量の検出が困難となる。
また、プロトン伝導性の固体電解質体に電圧を印加したとき、電気化学反応によって発生するプロトンだけでなく、電圧印加に伴い電子も流れ、これがオフセット電流となって検出精度を低下させ、さらに、センサの耐久劣化に伴い、このようなオフセット電流が変化するため検出誤差が徐々に拡大されることが判明した。
【０００６】
さらに、環境保護意識の高まりから、自動車等の内燃機関から排出される燃焼排気について、さらなる排出規制強化が望まれる近年において、極めて微量なＰＭを検出可能とする粒子状物質検出センサが必要とされている。
【０００７】
そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、ＰＭ検出素子の表面上で被測定ガス中のＰＭを電気化学反応させたときに発生するプロトンの移動に伴う電気的変化を検出して被測定ガス中のＰＭ量を検出する粒子状物質検出センサにおいて、被測定ガス中に含まれるＰＭ量が少ない低ＰＭ量排出時においても、精度良く検出可能とする粒子状物質検出センサを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明では、電気化学反応により被測定ガス中に含まれるＰＭを粒子状物質検出素子の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出する粒子状物質検出センサであって、電源から上記粒子状物質検出素子への印加電圧、電流又は電力を制御可能な通電制御手段と、上記電源から上記粒子状物質検出素子へ電圧、電流又は電力を印加したときに、上記粒子状物質検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流を積算する積算手段と、被測定ガス中への粒子状物質の排出が少ない低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量排出時判定手段とを具備し、上記低ＰＭ量排出時判定手段によって低ＰＭ量排出時であると判定されたときには、所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ上記粒子状物質検出素への通電を停止、又は、一定の電流値以下に制限した後、通電を再開すると共に、所定の積算時間Ｔ２だけ、上記粒子状物質検出センサに流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から算出した飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））に基づいて被測定ガス中の粒子状物質の量を算出する低ＰＭ量測定制御を実施する。
【０００９】
具体的には、請求項２の発明のように、上記粒子状物質検出素子が、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン伝導性の固体電解質体と、該プロトン伝導性の固体電解質体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめる。
【００１０】
請求項３の発明では、上記被測定ガスが、内燃機関の燃焼排気である。
【００１１】
請求項４の発明では、上記低ＰＭ量排出時判定手段が、上記内燃機関の運転情報を検出する運転情報検出手段と、該運転情報検出手段によって検出された運転情報に基づいて、上記内燃機関が無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転のいずれかの場合に粒子状物質の排出量が少ない低ＰＭ量排出時であると判定し、低ＰＭ量測定制御を実施する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量が少なく、正確な検出が困難となる蓋然性が高い場合に、上記通電制限時間中に上記粒子状物質検出素子への通電が制限されることにより、上記粒子状物質検出素子表面における電気化学反応による粒子状物質の消費が停止又は制限され、その間に上記粒子状物質検出素子上に堆積した粒子状物質を一定時間経過後に通電を再開し、まとめて電気化学反応を起こさせることにより容易に検出可能とすると共に、上記の関係から飽和電流値ＩＳＡＴを算出し、簡易な構成により、極めて精度よく被測定ガス中の粒子状物質の量を検出することが可能となる。
また、粒子状物質検出素子が経年劣化して、被測定ガス中の粒子状物質の量とは無関係に検出されるオフセット電流が上昇したときでも、学習により、低ＰＭ量測定時におけるＰＭ排出量の算出結果を補正して、精度良く、安定して検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる低ＰＭ量排出時に精度よくＰＭ量検出する低ＰＭ量測定制御方法を示すフローチャート。
【図３】（ａ）は、本発明の粒子状物質検出センサに用いられる電流検出手段の一例を示す回路図、（ｂ）は、図２のフローチャートにしたがって低ＰＭ量測定制御が実施されるときのタイムチャート。
【図４】比較例と共に本発明の作動原理を説明するための特性図であって、（ａ）は、従来に問題点を示す特性図、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における低ＰＭ量測定制御が行われた場合において、積算電流値ＩＳＵＭと飽和電流値ＩＳＡＴとの関係を示す特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる通電制限時間Ｔ１を決定するための特性図。
【図６】（ａ）は、オフセット電流の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における低ＰＭ量測定制御が行われた場合において、積算電流とオフセット電流との関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１の概要について説明する。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される燃焼排気を被測定ガス２００とし、被測定ガス流路２に設けた粒子状物質検出素子１０（以下、素子１０と略す。）と、素子１０に、所定の電圧又は電流を印加する電源１５と、電源１５から素子１０への通電を制御するとともにＰＭ量を算出するＰＭ量演算制御部１４とによって構成されており、電気化学反応により被測定ガス２００中に含まれるＰＭを素子１０の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス２００中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭと略す。）の量を算出するものである。
【００１５】
ＰＭ量演算制御装置１４は、本発明の要部である低ＰＭ量測定要否判定手段１４０と、時間計測手段１４１と、電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２と、通常ＰＭ量測定手段１４３と、測定レンジ切換手段１４４と、ＰＭ量演算手段１４５とによって構成されており、ＰＭ量演算制御装置１４のより具体的な構成については、図３を参照して後述する。
通電制御手段１４７、１４８は、開閉により、電源１５から素子１０への印加電圧、電流又は電力を制御可能となっている。
素子１０は、略平板状に形成したプロトン伝導性を有する固体電解質体１００と、その一方の表面に形成され、被測定ガス２００に対向する測定電極１１０と、対向する他方の表面に形成され、絶縁体１３１によって被測定ガス２００から隔離され、絶縁体１３１によって区画された基準ガス室１３０に対向する基準電極１２０とが一体となっている。
【００１６】
また、固体電解質体１００には、例えば、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２のいずれかを主成分とし、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかを含むペロブスカイト構造を有するＡＢＯ３型遷移金属酸化物によって構成することができ、ＳｒＺｒＯ３等が好適である。
測定電極１１０、基準電極１２０には、金Ａｕ、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、炭化珪素ＳｉＣのいずれかを含む多孔質金属電極又はサーメット電極が用いられる。
【００１７】
測定電極１１０と基準電極１２０とからなる電極対の間に電源１５から、通電制御手段１４から発信された駆動信号ＳＧによって通電制御手段１４８が所定のタイミングで開閉され、電圧、電流又は電力が印加されると、測定電極１１０の表面で、被測定ガス２００中に含まれるＰＭの主成分である炭素Ｃと、混合気の燃焼時に発生する水蒸気Ｈ２Ｏとが、電気化学反応によって、極めて反応性の高い活性酸素種Ｏ＊とプロトンＨ＋が生成され、活性酸素種によって炭素Ｃが酸化され、プロトンＨ＋は固体電解質体内を移動し、基準電極１２０側で大気中の酸素と反応し、Ｈ２Ｏとなって外部に排出される。このとき流れる電流を電流検出手段１４６によって検出することによって被測定ガス２００中の炭素量を測定することができる。
このとき、本発明の要部である通電制御手段１４では、後述する制御フローチャートＳ３００〜Ｓ３５０にしたがって、内燃機関のアイドル運転時等の低ＰＭ量排出時であるか否かが判定され、無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転等において、ＰＭの排出量が低くなる蓋然性の高い、低ＰＭ量排出時であると判断された場合には、後述する低ＰＭ量測定制御が実施され、低ＰＭ量排出時でないと判断された場合には、通常の電流検出によって被測定ガス中のＰＭ量が測定される。
【００１８】
図２を参照して、本発明の要部である低ＰＭ量排出時において低いＰＭ量を精度良く検出する低ＰＭ量測定制御について説明する。
エンジンが始動されると、以下に示す制御フローにしたがって、本発明の低ＰＭ量測定制御の要否が判断され、低ＰＭ量排出時と判断された場合には、低ＰＭ量測定制御が開始され、低ＰＭ量排出時ではないと判断された場合には、通常のＰＭ量測定制御が行われる。
【００１９】
ステップS３００の運転状態確認手段では、運転情報検出手段として、エンジン各所に設けられた、図略のエンジン回転センサ、アクセル開度センサ、燃料噴射量センサ、エンジン水温センサ、オイル温度センサ、外気温センサ等の各種センサによって検出された、エンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＣＣ、燃料噴射量ＱＩＮＪ、エンジン水温ＴＷ、オイル温度ＴＯ、外気温度ＴＡ等の運転情報や、ＤＰＦ等の燃焼排気浄化装置において検出されたＰＭ堆積推定量ＱＰＭＥＳＴや、本発明の制御が適用されるガスセンサ１のセンサ出力値ＶＯＵＴ等が読み込まれる。
【００２０】
ステップＳ３１０の低ＰＭ量排出時判定手段では、ステップＳ３００で読み込まれた情報を基に低ＰＭ量排出時と判定された場合には、低ＰＭ量測定制御要と判定され、判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ３２０に印加電圧一時停止手段に進む。
一方、低ＰＭ量排出時でないと判定された場合には、低ＰＭ量測定制御不要と判定され、判定Ｎｏとなり、ステップＳ３００に戻る。このとき、別途、通常のＰＭ量測定（ステップＳ４００）を実施しても良い。
【００２１】
ステップＳ３２０の印加電圧一時停止手段では、一定のＰＭ堆積時間Ｔ１（ｍｓ）だけ、印加電圧を停止又は一定の電流値以下に制限して、測定電極１１０上にＰＭを堆積させる。なお、ＰＭ堆積時間Ｔ１は、時間計測手段１４１によって計測する。
一定時間電圧の供給を停止することにより電気化学反応が停止し、測定電極１１０上に被測定ガス中に含まれるＰＭ量及び通電制限時間に比例する量のＰＭが堆積する。
一定時間経過するとステップＳ３３０の電流積算手段に進む。
ステップＳ３３０の電流積算手段では、粒子状物質検出センサ１への電圧印加が再開されると同時に、電流検出手段１４６によって計測された電流値Ｉを電流積算手段１４２によって積算する。また、電圧印加の再開と共に時間計測手段１４１によって、電流積算時間Ｔ２の計測を行う。
【００２２】
ステップＳ３４０の積算終了判定手段では、電流検出手段１４６によって検出される電流値Ｉが一定状態となったときに積算終了要と判定し、電流の積算を終了する。
印加電圧一時停止手段中に堆積したＰＭと被測定ガス中に含まれるＰＭとが重畳して電気化学反応により酸化されるため、電流積算手段開始直後には、一時的に大きな電流が流れ、ＰＭの燃焼に伴い、電流検出手段１４６によって検出される電流は徐々に低下し、やがて、被測定ガス中に含まれるＰＭ量にのみによって検出される飽和電流値ＩＳＡＴに漸近する。
飽和電流値ＩＳＡＴは、通常の検出方法では、検出が困難な電流値Ｉの検出下限を超えているので、現実的には、電流値Ｉが検出下限に達し、出力がほぼ０となった時点で積算を終了する。
【００２３】
ステップＳ３５０の低ＰＭ量算出手段では、実際に算出された積算電流値ＩＳＵＭと一時通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２とに基づいて、飽和電流値ＩＳＡＴを算出し、その値を基に低ＰＭ量排出時のＰＭ量を算出する。
【００２４】
図３（ａ）に、本発明に用いられる電流検出手段１４６及び電流積算手段１４２の具体例を示し、図３（ｂ）に、上述のフローチャートにしたがって通電制御された場合のタイムチャートを示す。
本実施形態において、ＰＭ量演算制御装置１４は、低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量測定要否判定手段１４０と、通電制限時間Ｔ１、積算時間Ｔ２を計測し、所定のタイミングで各切換を実施するために設けたクロックカウンタ等の時間計測手段１４１と、低ＰＭ量排出時において検出される電流値Ｉを積算し、積算電流値ＩＳＵＭを求める電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２と、低ＰＭ量排出時ではないと判定されたときに、通常のＰＭ量を計測する通常ＰＭ量測定手段１４３と、低ＰＭ量排出時か否かの判定結果にしたがって、低ＰＭ量測定と通常ＰＭ量測定とを切り換えるための測定レンジ切換手段１４４と、電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２、又は、通常ＰＭ量測定手段１４３によって計測された値から被測定ガス中に含まれるＰＭ量を算出するＰＭ量演算手段１４５とによって構成されている。
【００２５】
通電制御手段１４８は、電源１５から素子１０への通電を制御する通電制御手段１４７とカレントミラーを構成しており、電源１５から粒子状物質検出センサ素子１０に流れる電流に等しい電流が流れ、シャント抵抗Ｒｓ等の電流検出手段１４６によって電流検出が可能となっている。
さらに、電流積算手段１４２は、電流検出手段１４６に流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭを算出することができる。
【００２６】
上述のフローチャートにしたがって、本発明の低ＰＭ量測定手段が開始されると、本図（ｂ）に示すように、クロックカウンタ等の時間計測手段１４１によって通電制限時間Ｔ１がカウントされ、通電制御手段１４７が開放され、電源１５から粒子状物質検出センサ素子１０へ電圧印加が停止される。
所定の通電制限時間Ｔ１が経過すると、通電制御手段１４７、１４８が閉じられ、電源１５から素子１０への通電が開始される。
このとき、電流検出手段１４６に流れる電流が電流積算手段１４２によって積算され、所定の積算時間Ｔ２を経過するまで積算される。
この結果を基に、ＰＭ量演算手段１４５によって、低ＰＭ量排出時におけるＰＭ量が精度良く算出される。
【００２７】
図４を参照して本発明の効果について説明する。
上述の制御フローチャートにしたがって、エンジン条件（回転数ＮＥ、燃料噴射量ＱＩＮＪ、冷却水温ＴＷ、油温ＴＯ、外気温度ＴＡ）や、ＤＰＦの圧力差から推定したＰＭ堆積量や、粒子状物質検出センサ出力値ＶＯＵＴ等から、アイドル運転時や、低負荷安定走行時などのＰＭ排出量が低いと判断される場合には、低ＰＭ量測定を開始すると判断され、電源１４１から粒子状物質検出センサ１へ印加する電圧を、例えば通電制御手段１４７の開閉等により、所定の通電制限時間Ｔ1（秒）の間、停止、又は、印加電圧を一定値以下に降圧する。
【００２８】
素子１０への電圧の印加が停止又は制限されることにより、電気化学反応によるＰＭの酸化反応が停止し、検出電極１１０上にＰＭが堆積する。
このとき、検出電極１１０上に堆積するＰＭ量は、被測定ガス中に含まれるＰＭ量と通電制限時間Ｔ１とに比例する量となる。
所定時間Ｔ１経過後、通電制御手段１４７の開閉等により、電源１４１から素子１０へ通電の再開、又は、印加電圧を一定値以上に昇圧する。同時に素子１０に供給される電流値の積算を開始する。
【００２９】
素子１０への通電再開直後は、大きな電流が流れるが、その後は、被測定ガス中に含まれるＰＭ量に応じた一定の飽和電流値ＩＳＡＴに収束するので、電流値の積算を終了し、そのときの積算時間Ｔ２を記録する。
素子１０への通電再開後に流れる積算電流値ＩＳＵＭは、通電制限時間Ｔ１の間に検出電極１１０上に堆積したＰＭと積算時間Ｔ２の間に検出電極１１０上に堆積するＰＭとを併せて電気化学反応によって酸化させるのに必要な電流値となる。
面積Ｓ１は、通電制限時間Ｔ１の間に飽和電流値ＩＳＡＴが平均的に流れたと過程した場合の仮想的な積算電流値を示し、通電制限時間Ｔ１内に検出電極１１０上に堆積するＰＭ量に比例する値となる。
面積Ｓ２は、通電制限時間Ｔ１の間に検出電極１１０上に堆積したＰＭと、積算時間内に検出電極１１０上に堆積するＰＭとを重畳的に電気化学反応によって消費したときに流れる電流を積算した積算電流値ＩＳＵＭから、積算時間Ｔ２の間に検出電極１１０上に堆積するＰＭ分に相当する積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ２を差し引いた値となり、面積Ｓ１に等しい値となる。
【００３０】
したがって、通電再開後の積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２から、ＰＭ排出量相当の飽和電流値ＩＳＡＴを算出することができる。
即ち、積算電流値ＩＳＵＭ＝面積Ｓ１＋面積Ｓ３であり、面積Ｓ１＝面積Ｓ２の関係が成り立ち、積算電流値ＩＳＵＭ＝面積Ｓ１＋面積Ｓ３＝飽和電流値ＩＳＡＴ・（Ｔ１＋Ｔ２）となるから、
ＩＳＡＴ＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２）となり、飽和電流値ＩＳＡＴを精度良く算出することができ、この結果に基づいて、低ＰＭ排出量領域におけるＰＭ排出量を精度よく検出することができる。
低ＰＭ排出量領域では、被測定ガス中に含まれるＰＭ量が少ないので、粒子状物質検出センサ１に、常に一定電圧を印加し、電気化学反応により発生するプロトンの移動によって検出される電流値が小さいので測定が困難であるのに加え、固体電解質体１００内を電気化学反応により発生したプロトンの移動のみならず、電気化学反応に起因しない電圧の印加による直接的な電子の移動を伴うため、検出誤差を生じやすい。
【００３１】
本発明では、一定の通電制限時間Ｔ１を設けることで低ＰＭ排出領域においても検出誤差を生じ難い量まで検出電極上にＰＭを堆積させ、精度良く被測定ガス中のＰＭ量を検出できるようになる。
したがって、粒子状物質検出センサ１をエンジンフィードバック制御に使用する場合などにおいて、ＰＭ測定レンジが大きくなっても、低ＰＭ排出量領域での検出精度が低下することがない。
【００３２】
図５を参照して、通電制限時間Ｔ１の設定基準について説明する。図５は、通電制限時間Ｔ１を変化させたときの面積Ｓ１（ＩＳＡＴ・Ｔ１）の変化と面積Ｓ２（Ｉｓｕｍ−ＩＳＡＴ・Ｔ２）の変化とを示し、通電制限時間Ｔ１が一定時間（２０ｓ）以下においては、面積Ｓ１と面積Ｓ２とが一致し、通電制限時間Ｔ１が一定時間（例えば、２０秒）を超えると面積Ｓ１と面積Ｓ２とが一致しなくなり、両者の間の差が徐々に広がっていく。
これは、面積Ｓ１は、通電制限時間Ｔ１の増加に比例して検出電極１１０上に堆積するＰＭ量が多くなる一方、検出電極１１０上4に堆積したＰＭを電気化学反応によって消費した場合に発生するプロトン量はＰＭ量に比例するが、一定量以上のＰＭが検出電極１１０上に堆積した場合には、ＰＭが燃焼したときに発生するジュール熱によって、電気化学反応を伴うことなくＰＭの燃焼が継続されるため、面積Ｓ２は、一定値に漸近していくものと推察される。
したがって、本図に示すように、面積Ｓ１と面積Ｓ２とが等しくなる最長の時間を通電制限時間Ｔ１とすることができる。
なお、本発明のＰＭセンサ１で設定される通電制限時間Ｔ１は、本図に示すように、例えば、２０秒程度の極めて短い時間であり、特許文献１等にあるような所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極間にＰＭを堆積させ、ＰＭの堆積量に応じて変化する検出電極間の抵抗値、静電容量、インピーダンス等の電気的特性を検出して被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出する従来型のＰＭセンサにおける不感期間に比べて遥かに短く、しかも、従来型のＰＭセンサでは検出が困難となる極微量の低ＰＭ排出量領域でも、極めて高い精度で被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出できる。
【００３３】
図６（ａ）は、オフセット電流値ＩＯＦＳの経時変化を示す。本図に示すように、一定時間（例えば、４００Ｈｒ）以上の使用により、オフセット電流値ＩＯＦＳが上昇する。これは、検出電極１１０及び基準電極１２０を構成する金属が長期の使用により固体電解質体１００内に拡散するマイグレーション現象等を引起こし、固体電解質体１００内を電流が流れや易くなるためと推察される。
図６（ｂ）は、本発明の第２の実施形態において、オフセット電流値ＩＯＦＳを精度良く検出する方法を示す。
図６（ｂ）に示すように、通電制限時間Ｔ１において、飽和電流値ＩＳＡＴが流れたと仮定したときの積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ１から、ＰＭの電気化学反応により発生するプロトン以外の影響により流れるオフセット電流値ＩＯＦＳの積算電流値ＩＯＦＳ・Ｔ１を差し引いた面積Ｓ３は、積算電流値ＩＳＵＭから、積算時間Ｔ２の間に流れる飽和電流値ＩＳＡＴの積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ２を差し引いた量に等しく、面積Ｓ４に等しい。
したがって、Ｓ３＝Ｓ４＝（ＩＳＡＴ―ＩＯＦＳ）・Ｔ１＝ＩＳＵＭ−ＩＳＡＴ・Ｔ２の関係が成立する。
そこで、積算電流値ＩＳＵＭ、飽和電流値ＩＳＡＴの実測値及び通電制限時間Ｔ１、積算時間Ｔ２からオフセット電流値ＩＯＦＳを算出することができる。
なお、飽和電流値ＩＳＡＴの実測は、ＰＭ排出量が、ほぼ０となる特定の運転条件において実施し、一定時間の平均値を用いる。
この計測結果を学習値として記録し、経時変化を補正することで、飽和電流値ＩＳＡＴ、オフセット電流値ＩＯＦＳの算出精度を高くし、低ＰＭ量排出時におけるＰＭ量測定の精度をさらに向上させることができる。
また、オフセット電流値ＩＯＦＳの継続的な監視により、ＰＭ検出素子１０の劣化状態を判定することも可能となる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、機関の運転状況若しくは、被測定ガス中に含まれるＰＭ量の程度に応じて、低ＰＭ量排出時と判断されたときに一時的にＰＭ検出素子への電圧、電流、又は、電力の供給を停止し、一定時間、測定電極上にＰＭを堆積させ、検出容易な状態にして、通電際か以後に検出される積算電流値ＩＳＵＭと、通電制限時間Ｔ１、電流積算時間Ｔ２との関係から精度良く飽和電流値ＩＳＡＴを算出して、低ＰＭ量排出時でも高い精度で被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出する本発明の趣旨に反しない限り、具体的な回路構成について適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、電流検出手段１４６によってミラー電流を検出する構成を示したが、カレントミラー回路を構成することなく、電源１５とＰＭ検出素子との間に電流検出手段としてシャント抵抗Ｒｓを介装するようにしても良い。
また、上記実施形態においては、固体電解質体１００は被測定ガスの温度によって加熱され活性化される構成を示したが、粒子状物質検出素子１０に積層して、通電により発熱する発熱部を設けて固体電解質体体１００を所定の温度に加熱するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１ 粒子状物質検出センサ
１０ 粒子状物質検出センサ素子
１００ 固体電解質体（プロトン伝導性の固体電解質体）
１１０ 測定電極
１２０ 基準電極
１３０ 基準ガス室
１３１ 絶縁体隔壁
１４ ＰＭ量演算制御装置
１４０ 低ＰＭ量測定要否判定手段
１４１ 時間計測手段
１４２ 電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）
１４３ 通常ＰＭ量測定手段
１４４ 測定レンジ切換手段
１４５ ＰＭ量演算手段
１４６ 電流検出手段
１４７、１４８ 通電制御手段
１５ 電源
２ 被測定ガス流路
２００ 被測定ガス
Ｓ３００ 運転状況検出手段
Ｓ３１０ 低ＰＭ量検出要否判定
Ｓ３２０ 一時通電停止手段（ＰＭ堆積手段）
Ｓ３３０ 電流積算手段
Ｓ３４０ 積算終了要否判定手段
Ｓ３５０ 低ＰＭ量算出手段
Ｓ４００ 通常ＰＭ量検出手段
ＩＳＡＴ 飽和電流
ＩＳＵＭ 積算電流値
ＩＯＦＳ オフセット電流
Ｓ１ 通電制限時間における飽和電流積算地
Ｓ２ 積算電流値から積算時間における飽和電流積算値を差し引いた積算電流値
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】独国出願公開第１０２００６０４２６０５号明細書
【特許文献２】特開２０１０−５４４３２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関の燃焼排気を被測定ガスとして、被測定ガス中の炭素量の検知に適した粒子状物質検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コモンレール式燃料噴射システム、過給器システム、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ、選択触媒還元（ＳＣＲ）システム、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を組み合わせて、ディーゼル機関やガソリンリーンバーン機関等の燃焼排気中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ、粒子状物質（ＰＭ）、未燃炭化水素ＨＣ等の環境負荷物質の低減が図られている。
このようなシステムに用いられるＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナやヒータ等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている。
内燃機関の燃焼効率をさらに向上すべく、このようなＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの劣化、破損等を検出するＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）や、内燃機関のフィードバック制御等において、燃焼排気中に含まれるＰＭ量を高精度で連続的に検出できる検出手段が望まれている。
【０００３】
被測定ガス中のＰＭ量を検出する粒子状物質検出センサとして、一定距離を隔てて対向する一対の電極間に堆積したＰＭによって、該電極対の間に形成される導電パスの抵抗値変化を計測する抵抗測定式の粒子状物質検出センサが知られ、このような粒子状物質検出センサでは、電極対の間に一定量以上のＰＭが堆積するまでは、電極対の間の抵抗値が極めて高く、電極対の間に流れる電流を検出することができない不感期間が存在することが知られており、不感期間を解消するための手段について種々提案されている（特許文献１等）。
【０００４】
特許文献２には、被測定ガス中の炭素量を連続的に検出するセンサとして、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質体と、その一方の表面に設けられ被測定ガスに対向する測定電極と、その他方の面に被測定ガスから離隔された基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記電源から上記電極対の間への通電により、被測定ガス中に存在する炭素成分を測定電極上において電気化学反応を生じさせて被測定ガス中の炭素量を検出する粒子状物質検出センサが開示されている。
特許文献２に記載の粒子状物質検出センサでは、被測定ガス中に含まれる炭素成分と水蒸気との電気化学反応によって発生したプロトンが固体電解質体を移動するときの電流を検出するので、特許文献１にあるような抵抗測定式の粒子状物質検出センサのように、一定以上のＰＭが堆積するまでＰＭの排出が検出されない不感期間が存在せず、精度良くＰＭを検出できると期待された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献２にあるような、検出電極上に存在するＰＭを電気化学反応によって燃焼させ、このとき発生したプロトンが固体電解質体内を移動することにより発生する電流の変化を検出することによって、被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出しようとしたとき、ＰＭ排出量が低いと、検出される電流値も小さくなるため、測定誤差が大きく、測定誤差に埋もれて正確なＰＭ排出量の検出が困難となる。
また、プロトン伝導性の固体電解質体に電圧を印加したとき、電気化学反応によって発生するプロトンだけでなく、電圧印加に伴い電子も流れ、これがオフセット電流となって検出精度を低下させ、さらに、センサの耐久劣化に伴い、このようなオフセット電流が変化するため検出誤差が徐々に拡大されることが判明した。
【０００６】
さらに、環境保護意識の高まりから、自動車等の内燃機関から排出される燃焼排気について、さらなる排出規制強化が望まれる近年において、極めて微量なＰＭを検出可能とする粒子状物質検出センサが必要とされている。
【０００７】
そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、ＰＭ検出素子の表面上で被測定ガス中のＰＭを電気化学反応させたときに発生するプロトンの移動に伴う電気的変化を検出して被測定ガス中のＰＭ量を検出する粒子状物質検出センサにおいて、被測定ガス中に含まれるＰＭ量が少ない低ＰＭ量排出時においても、精度良く検出可能とする粒子状物質検出センサを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明では、電気化学反応により被測定ガス中に含まれるＰＭを粒子状物質検出素子の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出する粒子状物質検出センサであって、電源から上記粒子状物質検出素子への印加電圧、電流又は電力を制御可能な通電制御手段と、上記電源から上記粒子状物質検出素子へ電圧、電流又は電力を印加したときに、上記粒子状物質検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流を積算する積算手段と、被測定ガス中への粒子状物質の排出が少ない低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量排出時判定手段とを具備し、上記低ＰＭ量排出時判定手段によって低ＰＭ量排出時であると判定されたときには、所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ上記粒子状物質検出素への通電を停止、又は、一定の電流値以下に制限した後、通電を再開すると共に、所定の積算時間Ｔ２だけ、上記粒子状物質検出センサに流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から算出した飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））に基づいて被測定ガス中の粒子状物質の量を算出する低ＰＭ量測定制御を実施する。
【０００９】
具体的には、請求項２の発明のように、上記粒子状物質検出素子が、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン伝導性の固体電解質体と、該プロトン伝導性の固体電解質体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめる。
【００１０】
請求項３の発明では、上記被測定ガスが、内燃機関の燃焼排気である。
【００１１】
請求項４の発明では、上記低ＰＭ量排出時判定手段が、上記内燃機関の運転情報を検出する運転情報検出手段と、該運転情報検出手段によって検出された運転情報に基づいて、上記内燃機関が無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転のいずれかの場合に粒子状物質の排出量が少ない低ＰＭ量排出時であると判定し、低ＰＭ量測定制御を実施する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量が少なく、正確な検出が困難となる蓋然性が高い場合に、上記通電制限時間中に上記粒子状物質検出素子への通電が制限されることにより、上記粒子状物質検出素子表面における電気化学反応による粒子状物質の消費が停止又は制限され、その間に上記粒子状物質検出素子上に堆積した粒子状物質を一定時間経過後に通電を再開し、まとめて電気化学反応を起こさせることにより容易に検出可能とすると共に、上記の関係から飽和電流値ＩＳＡＴを算出し、簡易な構成により、極めて精度よく被測定ガス中の粒子状物質の量を検出することが可能となる。
また、粒子状物質検出素子が経年劣化して、被測定ガス中の粒子状物質の量とは無関係に検出されるオフセット電流が上昇したときでも、学習により、低ＰＭ量測定時におけるＰＭ排出量の算出結果を補正して、精度良く、安定して検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサの概要を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる低ＰＭ量排出時に精度よくＰＭ量検出する低ＰＭ量測定制御方法を示すフローチャート。
【図３】（ａ）は、本発明の粒子状物質検出センサに用いられる電流検出手段の一例を示す回路図、（ｂ）は、図２のフローチャートにしたがって低ＰＭ量測定制御が実施されるときのタイムチャート。
【図４】比較例と共に本発明の作動原理を説明するための特性図であって、（ａ）は、従来に問題点を示す特性図、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における低ＰＭ量測定制御が行われた場合において、積算電流値ＩＳＵＭと飽和電流値ＩＳＡＴとの関係を示す特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサに用いられる通電制限時間Ｔ１を決定するための特性図。
【図６】（ａ）は、オフセット電流の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における低ＰＭ量測定制御が行われた場合において、積算電流とオフセット電流との関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態における粒子状物質検出センサ１の概要について説明する。
本発明の粒子状物質検出センサ１は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される燃焼排気を被測定ガス２００とし、被測定ガス流路２に設けた粒子状物質検出素子１０（以下、素子１０と略す。）と、素子１０に、所定の電圧又は電流を印加する電源１５と、電源１５から素子１０への通電を制御するとともにＰＭ量を算出するＰＭ量演算制御部１４とによって構成されており、電気化学反応により被測定ガス２００中に含まれるＰＭを素子１０の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス２００中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭと略す。）の量を算出するものである。
【００１５】
ＰＭ量演算制御装置１４は、本発明の要部である低ＰＭ量測定要否判定手段１４０と、時間計測手段１４１と、電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２と、通常ＰＭ量測定手段１４３と、測定レンジ切換手段１４４と、ＰＭ量演算手段１４５とによって構成されており、ＰＭ量演算制御装置１４のより具体的な構成については、図３を参照して後述する。
通電制御手段１４７、１４８は、開閉により、電源１５から素子１０への印加電圧、電流又は電力を制御可能となっている。
素子１０は、略平板状に形成したプロトン伝導性を有する固体電解質体１００と、その一方の表面に形成され、被測定ガス２００に対向する測定電極１１０と、対向する他方の表面に形成され、絶縁体１３１によって被測定ガス２００から隔離され、絶縁体１３１によって区画された基準ガス室１３０に対向する基準電極１２０とが一体となっている。
【００１６】
また、固体電解質体１００には、例えば、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２のいずれかを主成分とし、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかを含むペロブスカイト構造を有するＡＢＯ３型遷移金属酸化物によって構成することができ、ＳｒＺｒＯ３等が好適である。
測定電極１１０、基準電極１２０には、金Ａｕ、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、炭化珪素ＳｉＣのいずれかを含む多孔質金属電極又はサーメット電極が用いられる。
【００１７】
測定電極１１０と基準電極１２０とからなる電極対の間に電源１５から、通電制御手段１４から発信された駆動信号ＳＧによって通電制御手段１４８が所定のタイミングで開閉され、電圧、電流又は電力が印加されると、測定電極１１０の表面で、被測定ガス２００中に含まれるＰＭの主成分である炭素Ｃと、混合気の燃焼時に発生する水蒸気Ｈ２Ｏとが、電気化学反応によって、極めて反応性の高い活性酸素種Ｏ＊とプロトンＨ＋が生成され、活性酸素種によって炭素Ｃが酸化され、プロトンＨ＋は固体電解質体内を移動し、基準電極１２０側で大気中の酸素と反応し、Ｈ２Ｏとなって外部に排出される。このとき流れる電流を電流検出手段１４６によって検出することによって被測定ガス２００中の炭素量を測定することができる。
このとき、本発明の要部である通電制御手段１４では、後述する制御フローチャートＳ３００〜Ｓ３５０にしたがって、内燃機関のアイドル運転時等の低ＰＭ量排出時であるか否かが判定され、無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転等において、ＰＭの排出量が低くなる蓋然性の高い、低ＰＭ量排出時であると判断された場合には、後述する低ＰＭ量測定制御が実施され、低ＰＭ量排出時でないと判断された場合には、通常の電流検出によって被測定ガス中のＰＭ量が測定される。
【００１８】
図２を参照して、本発明の要部である低ＰＭ量排出時において低いＰＭ量を精度良く検出する低ＰＭ量測定制御について説明する。
エンジンが始動されると、以下に示す制御フローにしたがって、本発明の低ＰＭ量測定制御の要否が判断され、低ＰＭ量排出時と判断された場合には、低ＰＭ量測定制御が開始され、低ＰＭ量排出時ではないと判断された場合には、通常のＰＭ量測定制御が行われる。
【００１９】
ステップS３００の運転状態確認手段では、運転情報検出手段として、エンジン各所に設けられた、図略のエンジン回転センサ、アクセル開度センサ、燃料噴射量センサ、エンジン水温センサ、オイル温度センサ、外気温センサ等の各種センサによって検出された、エンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＣＣ、燃料噴射量ＱＩＮＪ、エンジン水温ＴＷ、オイル温度ＴＯ、外気温度ＴＡ等の運転情報や、ＤＰＦ等の燃焼排気浄化装置において検出されたＰＭ堆積推定量ＱＰＭＥＳＴや、本発明の制御が適用されるガスセンサ１のセンサ出力値ＶＯＵＴ等が読み込まれる。
【００２０】
ステップＳ３１０の低ＰＭ量排出時判定手段では、ステップＳ３００で読み込まれた情報を基に低ＰＭ量排出時と判定された場合には、低ＰＭ量測定制御要と判定され、判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ３２０に印加電圧一時停止手段に進む。
一方、低ＰＭ量排出時でないと判定された場合には、低ＰＭ量測定制御不要と判定され、判定Ｎｏとなり、ステップＳ３００に戻る。このとき、別途、通常のＰＭ量測定（ステップＳ４００）を実施しても良い。
【００２１】
ステップＳ３２０の印加電圧一時停止手段では、一定のＰＭ堆積時間Ｔ１（ｍｓ）だけ、印加電圧を停止又は一定の電流値以下に制限して、測定電極１１０上にＰＭを堆積させる。なお、ＰＭ堆積時間Ｔ１は、時間計測手段１４１によって計測する。
一定時間電圧の供給を停止することにより電気化学反応が停止し、測定電極１１０上に被測定ガス中に含まれるＰＭ量及び通電制限時間に比例する量のＰＭが堆積する。
一定時間経過するとステップＳ３３０の電流積算手段に進む。
ステップＳ３３０の電流積算手段では、粒子状物質検出センサ１への電圧印加が再開されると同時に、電流検出手段１４６によって計測された電流値Ｉを電流積算手段１４２によって積算する。また、電圧印加の再開と共に時間計測手段１４１によって、電流積算時間Ｔ２の計測を行う。
【００２２】
ステップＳ３４０の積算終了判定手段では、電流検出手段１４６によって検出される電流値Ｉが一定状態となったときに積算終了要と判定し、電流の積算を終了する。
印加電圧一時停止手段中に堆積したＰＭと被測定ガス中に含まれるＰＭとが重畳して電気化学反応により酸化されるため、電流積算手段開始直後には、一時的に大きな電流が流れ、ＰＭの燃焼に伴い、電流検出手段１４６によって検出される電流は徐々に低下し、やがて、被測定ガス中に含まれるＰＭ量にのみによって検出される飽和電流値ＩＳＡＴに漸近する。
飽和電流値ＩＳＡＴは、通常の検出方法では、検出が困難な電流値Ｉの検出下限を超えているので、現実的には、電流値Ｉが検出下限に達し、出力がほぼ０となった時点で積算を終了する。
【００２３】
ステップＳ３５０の低ＰＭ量算出手段では、実際に算出された積算電流値ＩＳＵＭと一時通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２とに基づいて、飽和電流値ＩＳＡＴを算出し、その値を基に低ＰＭ量排出時のＰＭ量を算出する。
【００２４】
図３（ａ）に、本発明に用いられる電流検出手段１４６及び電流積算手段１４２の具体例を示し、図３（ｂ）に、上述のフローチャートにしたがって通電制御された場合のタイムチャートを示す。
本実施形態において、ＰＭ量演算制御装置１４は、低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量測定要否判定手段１４０と、通電制限時間Ｔ１、積算時間Ｔ２を計測し、所定のタイミングで各切換を実施するために設けたクロックカウンタ等の時間計測手段１４１と、低ＰＭ量排出時において検出される電流値Ｉを積算し、積算電流値ＩＳＵＭを求める電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２と、低ＰＭ量排出時ではないと判定されたときに、通常のＰＭ量を計測する通常ＰＭ量測定手段１４３と、低ＰＭ量排出時か否かの判定結果にしたがって、低ＰＭ量測定と通常ＰＭ量測定とを切り換えるための測定レンジ切換手段１４４と、電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）１４２、又は、通常ＰＭ量測定手段１４３によって計測された値から被測定ガス中に含まれるＰＭ量を算出するＰＭ量演算手段１４５とによって構成されている。
【００２５】
通電制御手段１４８は、電源１５から素子１０への通電を制御する通電制御手段１４７とカレントミラーを構成しており、電源１５から粒子状物質検出センサ素子１０に流れる電流に等しい電流が流れ、シャント抵抗Ｒｓ等の電流検出手段１４６によって電流検出が可能となっている。
さらに、電流積算手段１４２は、電流検出手段１４６に流れる電流を積算し、積算電流値ＩＳＵＭを算出することができる。
【００２６】
上述のフローチャートにしたがって、本発明の低ＰＭ量測定手段が開始されると、本図（ｂ）に示すように、クロックカウンタ等の時間計測手段１４１によって通電制限時間Ｔ１がカウントされ、通電制御手段１４７が開放され、電源１５から粒子状物質検出センサ素子１０へ電圧印加が停止される。
所定の通電制限時間Ｔ１が経過すると、通電制御手段１４７、１４８が閉じられ、電源１５から素子１０への通電が開始される。
このとき、電流検出手段１４６に流れる電流が電流積算手段１４２によって積算され、所定の積算時間Ｔ２を経過するまで積算される。
この結果を基に、ＰＭ量演算手段１４５によって、低ＰＭ量排出時におけるＰＭ量が精度良く算出される。
【００２７】
図４を参照して本発明の効果について説明する。
上述の制御フローチャートにしたがって、エンジン条件（回転数ＮＥ、燃料噴射量ＱＩＮＪ、冷却水温ＴＷ、油温ＴＯ、外気温度ＴＡ）や、ＤＰＦの圧力差から推定したＰＭ堆積量や、粒子状物質検出センサ出力値ＶＯＵＴ等から、アイドル運転時や、低負荷安定走行時などのＰＭ排出量が低いと判断される場合には、低ＰＭ量測定を開始すると判断され、電源１４１から粒子状物質検出センサ１へ印加する電圧を、例えば通電制御手段１４７の開閉等により、所定の通電制限時間Ｔ1（秒）の間、停止、又は、印加電圧を一定値以下に降圧する。
【００２８】
素子１０への電圧の印加が停止又は制限されることにより、電気化学反応によるＰＭの酸化反応が停止し、検出電極１１０上にＰＭが堆積する。
このとき、検出電極１１０上に堆積するＰＭ量は、被測定ガス中に含まれるＰＭ量と通電制限時間Ｔ１とに比例する量となる。
所定時間Ｔ１経過後、通電制御手段１４７の開閉等により、電源１４１から素子１０へ通電の再開、又は、印加電圧を一定値以上に昇圧する。同時に素子１０に供給される電流値の積算を開始する。
【００２９】
素子１０への通電再開直後は、大きな電流が流れるが、その後は、被測定ガス中に含まれるＰＭ量に応じた一定の飽和電流値ＩＳＡＴに収束するので、電流値の積算を終了し、そのときの積算時間Ｔ２を記録する。
素子１０への通電再開後に流れる積算電流値ＩＳＵＭは、通電制限時間Ｔ１の間に検出電極１１０上に堆積したＰＭと積算時間Ｔ２の間に検出電極１１０上に堆積するＰＭとを併せて電気化学反応によって酸化させるのに必要な電流値となる。
面積Ｓ１は、通電制限時間Ｔ１の間に飽和電流値ＩＳＡＴが平均的に流れたと過程した場合の仮想的な積算電流値を示し、通電制限時間Ｔ１内に検出電極１１０上に堆積するＰＭ量に比例する値となる。
面積Ｓ２は、通電制限時間Ｔ１の間に検出電極１１０上に堆積したＰＭと、積算時間内に検出電極１１０上に堆積するＰＭとを重畳的に電気化学反応によって消費したときに流れる電流を積算した積算電流値ＩＳＵＭから、積算時間Ｔ２の間に検出電極１１０上に堆積するＰＭ分に相当する積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ２を差し引いた値となり、面積Ｓ１に等しい値となる。
【００３０】
したがって、通電再開後の積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２から、ＰＭ排出量相当の飽和電流値ＩＳＡＴを算出することができる。
即ち、積算電流値ＩＳＵＭ＝面積Ｓ１＋面積Ｓ３であり、面積Ｓ１＝面積Ｓ２の関係が成り立ち、積算電流値ＩＳＵＭ＝面積Ｓ１＋面積Ｓ３＝飽和電流値ＩＳＡＴ・（Ｔ１＋Ｔ２）となるから、
ＩＳＡＴ＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２）となり、飽和電流値ＩＳＡＴを精度良く算出することができ、この結果に基づいて、低ＰＭ排出量領域におけるＰＭ排出量を精度よく検出することができる。
低ＰＭ排出量領域では、被測定ガス中に含まれるＰＭ量が少ないので、粒子状物質検出センサ１に、常に一定電圧を印加し、電気化学反応により発生するプロトンの移動によって検出される電流値が小さいので測定が困難であるのに加え、固体電解質体１００内を電気化学反応により発生したプロトンの移動のみならず、電気化学反応に起因しない電圧の印加による直接的な電子の移動を伴うため、検出誤差を生じやすい。
【００３１】
本発明では、一定の通電制限時間Ｔ１を設けることで低ＰＭ排出領域においても検出誤差を生じ難い量まで検出電極上にＰＭを堆積させ、精度良く被測定ガス中のＰＭ量を検出できるようになる。
したがって、粒子状物質検出センサ１をエンジンフィードバック制御に使用する場合などにおいて、ＰＭ測定レンジが大きくなっても、低ＰＭ排出量領域での検出精度が低下することがない。
【００３２】
図５を参照して、通電制限時間Ｔ１の設定基準について説明する。図５は、通電制限時間Ｔ１を変化させたときの面積Ｓ１（ＩＳＡＴ・Ｔ１）の変化と面積Ｓ２（Ｉｓｕｍ−ＩＳＡＴ・Ｔ２）の変化とを示し、通電制限時間Ｔ１が一定時間（２０ｓ）以下においては、面積Ｓ１と面積Ｓ２とが一致し、通電制限時間Ｔ１が一定時間（例えば、２０秒）を超えると面積Ｓ１と面積Ｓ２とが一致しなくなり、両者の間の差が徐々に広がっていく。
これは、面積Ｓ１は、通電制限時間Ｔ１の増加に比例して検出電極１１０上に堆積するＰＭ量が多くなる一方、検出電極１１０上4に堆積したＰＭを電気化学反応によって消費した場合に発生するプロトン量はＰＭ量に比例するが、一定量以上のＰＭが検出電極１１０上に堆積した場合には、ＰＭが燃焼したときに発生するジュール熱によって、電気化学反応を伴うことなくＰＭの燃焼が継続されるため、面積Ｓ２は、一定値に漸近していくものと推察される。
したがって、本図に示すように、面積Ｓ１と面積Ｓ２とが等しくなる最長の時間を通電制限時間Ｔ１とすることができる。
なお、本発明のＰＭセンサ１で設定される通電制限時間Ｔ１は、本図に示すように、例えば、２０秒程度の極めて短い時間であり、特許文献１等にあるような所定の間隙を隔てて対向する一対の検出電極間にＰＭを堆積させ、ＰＭの堆積量に応じて変化する検出電極間の抵抗値、静電容量、インピーダンス等の電気的特性を検出して被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出する従来型のＰＭセンサにおける不感期間に比べて遥かに短く、しかも、従来型のＰＭセンサでは検出が困難となる極微量の低ＰＭ排出量領域でも、極めて高い精度で被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出できる。
【００３３】
図６（ａ）は、オフセット電流値ＩＯＦＳの経時変化を示す。本図に示すように、一定時間（例えば、４００Ｈｒ）以上の使用により、オフセット電流値ＩＯＦＳが上昇する。これは、検出電極１１０及び基準電極１２０を構成する金属が長期の使用により固体電解質体１００内に拡散するマイグレーション現象等を引起こし、固体電解質体１００内を電流が流れや易くなるためと推察される。
図６（ｂ）は、本発明の第２の実施形態において、オフセット電流値ＩＯＦＳを精度良く検出する方法を示す。
図６（ｂ）に示すように、通電制限時間Ｔ１において、飽和電流値ＩＳＡＴが流れたと仮定したときの積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ１から、ＰＭの電気化学反応により発生するプロトン以外の影響により流れるオフセット電流値ＩＯＦＳの積算電流値ＩＯＦＳ・Ｔ１を差し引いた面積Ｓ３は、積算電流値ＩＳＵＭから、積算時間Ｔ２の間に流れる飽和電流値ＩＳＡＴの積算電流値ＩＳＡＴ・Ｔ２を差し引いた量に等しく、面積Ｓ４に等しい。
したがって、Ｓ３＝Ｓ４＝（ＩＳＡＴ―ＩＯＦＳ）・Ｔ１＝ＩＳＵＭ−ＩＳＡＴ・Ｔ２の関係が成立する。
そこで、積算電流値ＩＳＵＭ、飽和電流値ＩＳＡＴの実測値及び通電制限時間Ｔ１、積算時間Ｔ２からオフセット電流値ＩＯＦＳを算出することができる。
なお、飽和電流値ＩＳＡＴの実測は、ＰＭ排出量が、ほぼ０となる特定の運転条件において実施し、一定時間の平均値を用いる。
この計測結果を学習値として記録し、経時変化を補正することで、飽和電流値ＩＳＡＴ、オフセット電流値ＩＯＦＳの算出精度を高くし、低ＰＭ量排出時におけるＰＭ量測定の精度をさらに向上させることができる。
また、オフセット電流値ＩＯＦＳの継続的な監視により、ＰＭ検出素子１０の劣化状態を判定することも可能となる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、機関の運転状況若しくは、被測定ガス中に含まれるＰＭ量の程度に応じて、低ＰＭ量排出時と判断されたときに一時的にＰＭ検出素子への電圧、電流、又は、電力の供給を停止し、一定時間、測定電極上にＰＭを堆積させ、検出容易な状態にして、通電際か以後に検出される積算電流値ＩＳＵＭと、通電制限時間Ｔ１、電流積算時間Ｔ２との関係から精度良く飽和電流値ＩＳＡＴを算出して、低ＰＭ量排出時でも高い精度で被測定ガス中に含まれるＰＭ量を検出する本発明の趣旨に反しない限り、具体的な回路構成について適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、電流検出手段１４６によってミラー電流を検出する構成を示したが、カレントミラー回路を構成することなく、電源１５とＰＭ検出素子との間に電流検出手段としてシャント抵抗Ｒｓを介装するようにしても良い。
また、上記実施形態においては、固体電解質体１００は被測定ガスの温度によって加熱され活性化される構成を示したが、粒子状物質検出素子１０に積層して、通電により発熱する発熱部を設けて固体電解質体体１００を所定の温度に加熱するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１ 粒子状物質検出センサ
１０ 粒子状物質検出センサ素子
１００ 固体電解質体（プロトン伝導性の固体電解質体）
１１０ 測定電極
１２０ 基準電極
１３０ 基準ガス室
１３１ 絶縁体隔壁
１４ ＰＭ量演算制御装置
１４０ 低ＰＭ量測定要否判定手段
１４１ 時間計測手段
１４２ 電流積算手段（低ＰＭ量測定手段）
１４３ 通常ＰＭ量測定手段
１４４ 測定レンジ切換手段
１４５ ＰＭ量演算手段
１４６ 電流検出手段
１４７、１４８ 通電制御手段
１５ 電源
２ 被測定ガス流路
２００ 被測定ガス
Ｓ３００ 運転状況検出手段
Ｓ３１０ 低ＰＭ量検出要否判定
Ｓ３２０ 一時通電停止手段（ＰＭ堆積手段）
Ｓ３３０ 電流積算手段
Ｓ３４０ 積算終了要否判定手段
Ｓ３５０ 低ＰＭ量算出手段
Ｓ４００ 通常ＰＭ量検出手段
ＩＳＡＴ 飽和電流
ＩＳＵＭ 積算電流値
ＩＯＦＳ オフセット電流
Ｓ１ 通電制限時間における飽和電流積算地
Ｓ２ 積算電流値から積算時間における飽和電流積算値を差し引いた積算電流値
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】独国出願公開第１０２００６０４２６０５号明細書
【特許文献２】特開２０１０−５４４３２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応により被測定ガス中に含まれるＰＭを粒子状物質検出素子の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出する粒子状物質検出センサであって、
電源から上記粒子状物質検出素子への印加電圧、電流又は電力を制御可能な通電制御手段と、
上記電源から上記粒子状物質検出素子へ電圧、電流又は電力を印加したときに、上記粒子状物質検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流を積算する積算手段と、
被測定ガス中への粒子状物質の排出が少ない低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量排出時判定手段とを具備し、
上記低ＰＭ量排出時判定手段によって低ＰＭ量排出時であると判定されたときには、所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ上記粒子状物質検出素への通電を停止、又は、一定の電流値以下に制限した後、通電を再開すると共に、所定の積算時間Ｔ２だけ、上記粒子状物質検出センサに流れる電流を積算し、
積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から算出した飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））に基づいて被測定ガス中の粒子状物質の量を算出する低ＰＭ量測定制御を実施することを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記粒子状物質検出素子が、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン伝導性の固体電解質体と、該プロトン伝導性の固体電解質体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記被測定ガスが、内燃機関の燃焼排気である請求項１又は２に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項４】
上記低ＰＭ量排出時判定手段が、上記内燃機関の運転情報を検出する運転情報検出手段と、該運転情報検出手段によって検出された運転情報に基づいて、上記内燃機関が無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転のいずれかの場合に粒子状物質の排出量が少ない低ＰＭ量排出時であると判定し、低ＰＭ量測定制御を実施する請求項３に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項１】
電気化学反応により被測定ガス中に含まれるＰＭを粒子状物質検出素子の表面において消費し、そのときの電流値、電圧値又は電力値のいずれかの変化を検出して、被測定ガス中に含まれる粒子状物質の量を算出する粒子状物質検出センサであって、
電源から上記粒子状物質検出素子への印加電圧、電流又は電力を制御可能な通電制御手段と、
上記電源から上記粒子状物質検出素子へ電圧、電流又は電力を印加したときに、上記粒子状物質検出素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流を積算する積算手段と、
被測定ガス中への粒子状物質の排出が少ない低ＰＭ量排出時であるか否かを判定する低ＰＭ量排出時判定手段とを具備し、
上記低ＰＭ量排出時判定手段によって低ＰＭ量排出時であると判定されたときには、所定の通電制限時間Ｔ１の間だけ上記粒子状物質検出素への通電を停止、又は、一定の電流値以下に制限した後、通電を再開すると共に、所定の積算時間Ｔ２だけ、上記粒子状物質検出センサに流れる電流を積算し、
積算電流値ＩＳＵＭと通電制限時間Ｔ１と積算時間Ｔ２との関係から算出した飽和電流値ＩＳＡＴ（＝ＩＳＵＭ／（Ｔ１＋Ｔ２））に基づいて被測定ガス中の粒子状物質の量を算出する低ＰＭ量測定制御を実施することを特徴とする粒子状物質検出センサ。
【請求項２】
上記粒子状物質検出素子が、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン伝導性の固体電解質体と、該プロトン伝導性の固体電解質体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対の間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめた請求項１に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項３】
上記被測定ガスが、内燃機関の燃焼排気である請求項１又は２に記載の粒子状物質検出センサ。
【請求項４】
上記低ＰＭ量排出時判定手段が、上記内燃機関の運転情報を検出する運転情報検出手段と、該運転情報検出手段によって検出された運転情報に基づいて、上記内燃機関が無負荷運転、低負荷低速運転、低負荷高速運転のいずれかの場合に粒子状物質の排出量が少ない低ＰＭ量排出時であると判定し、低ＰＭ量測定制御を実施する請求項３に記載の粒子状物質検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２４６７７（Ｐ２０１３−２４６７７Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８７１９（Ｐ２０１１−１５８７１９）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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