CN108885163B - 颗粒状物质检测装置 - Google Patents

Abstract

颗粒状物质检测装置具备：检测部(2)，设有一对电极(21)、(22)；传感器部(1)，具有设有加热器电极(31)的加热器部(3)，并输出与颗粒状物质的量对应的信号；以及传感器控制部(4)，对颗粒状物质的颗粒数(N)进行检测。该传感器控制部具有：捕集控制部(41)；加热控制部(42)，将所述检测部加热至SOF挥发的第1温度(T1)、Soot燃烧的第2温度(T2)；输出变化率计算部(431)，计算所述第1温度时的第1输出值(V1)与加热至所述第2温度时的最大输出即第2输出值(V2)的比率；以及颗粒数计算部(43)，由基于所述第2输出值时的所述传感器部的温度(T)对其进行校正的值来推定颗粒状物质的平均粒径(D)，并计算所述颗粒数。

Description

颗粒状物质检测装置

相关申请的相互参照

本申请基于2016年3月22日申请的日本专利申请号2016-57410、2016年7月15日申请的日本专利申请号2016-140655，通过参照将其专利申请的全部内容编入本说明书。

技术领域

本公开涉及用于检测从内燃机排出的颗粒状物质的颗粒数的颗粒状物质检测装置。

背景技术

为了应对汽车废气中所含的颗粒状物质(即，Particulate Matter；以下，适当地称为PM)的排出限制，重要的是提高颗粒状物质检测装置的检测精度。颗粒状物质检测装置例如具备电阻式的传感器元件，向在绝缘性基体的表面设置的检测电极部施加电压而形成静电场，并对由捕集颗粒状物质引起的检测电极部的电阻值变化进行检测。

颗粒状物质检测装置能够根据传感器元件的输出推定颗粒状物质的排出量。另外，研究了利用颗粒数限制排出的颗粒状物质。例如，在专利文献1中公开了以如下方式设定的传感器控制装置：配置多个电阻式的PM检测部，对向各PM检测部施加的电压进行调整而成为不同的粒径分布。该装置根据各PM检测部的传感器输出来检测PM质量，并根据PM质量和按照每个PM检测部设定的平均颗粒质量来计算颗粒数。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-52811号公报

发明内容

与废气一同被排出的颗粒状物质是以导电性的Soot(即，煤)为主要成分的混合物，根据发动机运转条件，颗粒形状、化学组成发生很大变化。例如，颗粒状物质中含有来源于未燃烧的燃料和发动机油的SOF(即，Soluble Organic Fraction；可溶性有机成分)，根据发动机燃烧状态，SOF量发生变化。因此，被排出的颗粒状物质的导电率根据SOF量而变动，并且，颗粒状物质的导电率也会因传感器元件周围的废气温度而变化，因而传感器输出中会产生偏差。发现了如下课题：这样的传感器输出的偏差即使在如专利文献1的装置那样传感器元件形成有多个PM检测部的情况下也会发生，使检测精度下降。

本公开的目的为，提供一种减少因颗粒状物质所含的SOF量或周围的温度而引起的传感器输出的偏差，并使颗粒状物质的颗粒数的检测精度提高的颗粒状物质检测装置。

本公开的一方式在于，一种对被测量气体所含的颗粒状物质进行检测的颗粒状物质检测装置，该颗粒状物质检测装置具备：

传感器部，具有在暴露于被测量气体的绝缘性基体的表面配置有相互分离的一对电极的检测部、以及设有对该检测部进行加热的加热器电极的加热器部，所述传感器部输出与被所述检测部捕集的颗粒状物质的量相应的信号；以及传感器控制部，基于来自该传感器部的传感器输出对捕集到的颗粒状物质的颗粒数进行检测，

该传感器控制部具有：

捕集控制部，向所述检测部的所述一对电极间施加电压，对颗粒状物质进行静电捕集；

加热控制部，向所述加热器部的所述加热器电极供给电力，加热保持至颗粒状物质中的SOF能够挥发且Soot不会燃烧的第1温度，或者加热保持至Soot能够燃烧的第2温度；

输出变化率计算部，取得所述第1温度时的所述传感器输出即第1输出值、以及从所述第1温度加热至所述第2温度时的最大的所述传感器输出即第2输出值，并计算所述第2输出值相对于所述第1输出值的比率即输出变化率；以及

颗粒数计算部，使用根据计算出的所述输出变化率推定的颗粒状物质的平均粒径和根据所述传感器输出推定的颗粒状物质的质量来计算所述颗粒数，

所述颗粒数计算部具有温度校正机构，该温度校正机构基于所述第2输出值时的所述传感器部的温度对计算出的所述输出变化率进行校正。

本公开的其它方式在于，一种对被测量气体所含的颗粒状物质进行检测的颗粒状物质检测装置，该颗粒状物质检测装置具备：传感器控制部，基于来自所述传感器部的传感器输出对被捕集的颗粒状物质的颗粒数进行检测，

该传感器控制部具有：

捕集控制部，向所述检测部的所述一对电极间施加电压，对颗粒状物质进行静电捕集；

加热控制部，向所述加热器部的所述加热器电极供给电力，加热保持至颗粒状物质中的SOF能够挥发且Soot不会燃烧的第1温度，或者加热保持至Soot能够燃烧的第2温度；

输出变化率计算部，取得所述第1温度时的所述传感器输出即第1输出值、以及从所述第1温度加热至所述第2温度时的最大的所述传感器输出即第2输出值，并计算所述第2输出值相对于所述第1输出值的比率即输出变化率；以及

颗粒数计算部，使用根据计算出的所述输出变化率推定的颗粒状物质的平均粒径和根据所述传感器输出推定的颗粒状物质的质量来计算所述颗粒数，

所述加热控制部具有升温控制机构，该升温控制机构对从所述第1温度加热至所述第2温度时的升温速度进行控制。

发明效果

在所述颗粒状物质检测装置中，传感器控制部使捕集控制部动作而开始颗粒状物质的静电捕集。另一方面，使加热控制部动作而加热至第1温度，并取得与使SOF挥发的颗粒状物质对应的第1输出值，进一步加热至第2温度，取得与Soot即将燃烧前的颗粒状物质对应的第2输出值。由于第1输出值与第2输出值的比率即输出变化率与被捕集的颗粒状物质的平均粒径相关，因此可由输出变化率推定平均粒径。

在此，由于通过输出变化率计算部计算的输出变化率具有温度依赖性，因此如上述一方式那样，通过在颗粒数计算部设置温度校正机构，并使用传感器部的温度进行校正，能够高精度地推定平均粒径。或者，如上述其它方式那样，通过在所述加热控制部设置升温控制机构，并对从第1温度至第2温度的升温速度进行控制，能够减小温度的影响。在此情况下，能够抑制输出变化率的偏差而高精度地推定平均粒径。能够使用该平均粒径、以及根据传感器输出推定的颗粒状物质的质量来计算颗粒数。

因此，根据上述方式，能够排除颗粒状物质所含的SOF的影响，并且校正由周围的温度引起的输出的偏差，进而提高捕集的颗粒状物质的颗粒数的检测精度。

附图说明

关于本公开的上述目的以及其他的目的、特征及优点，通过参照添附的附图以及下述的详细记述而更加明确。该附图为，

图1是表示实施方式1中构成颗粒状物质检测装置的颗粒状物质检测传感器的一例的主要部分放大图；

图2是表示实施方式1中颗粒状物质检测传感器的传感器元件的构成例的整体立体图；

图3是表示实施方式1中具备颗粒状物质检测装置的内燃机的废气净化装置的整体构成的概略结构图；

图4是表示实施方式1中颗粒状物质检测传感器的其它例的主要部分放大图；

图5是表示实施方式1中颗粒状物质检测传感器的传感器元件的其它构成例的整体立体图；

图6是实施方式1中由颗粒状物质检测装置的传感器控制部执行的颗粒状物质检测处理的流程图；

图7是表示实施方式1中传感器元件的温度相对于从颗粒状物质的捕集开始起的经过时间的变化的图；

图8是表示实施方式1中加热传感器元件时的第1温度的优选范围的图，是将在颗粒状物质中的SOF比例不同的情况下的第1温度与输出变化率的关系进行比较并示出的图；

图9是表示实施方式1中第2输出值时的传感器元件的温度与输出变化率的关系的图；

图10是表示实施方式1中进行温度校正前的输出变化率与平均粒径的关系的图；

图11是表示实施方式1中温度校正后的输出变化率与平均粒径的关系的图；

图12是实施方式2中由颗粒状物质检测装置的传感器控制部执行的颗粒状物质检测处理的流程图；

图13是实施方式3中由颗粒状物质检测装置的传感器控制部执行的颗粒状物质检测处理的流程图；

图14是表示实施方式3中从第1温度向第2温度的升温速度与输出变化率的关系的图；

图15是表示实施方式3中升温控制后的输出变化率与平均粒径的关系的图；

图16是表示实施方式3中无升温控制的情况下的实测颗粒数与推定颗粒数的关系的图；

图17是表示实施方式3中有升温控制的情况下的实测颗粒数与推定颗粒数的关系的图；

图18是实施方式4中由颗粒状物质检测装置的传感器控制部执行的颗粒状物质检测处理的流程图。

具体实施方式

(实施方式1)

接下来，参照附图对颗粒状物质检测装置以及颗粒状物质检测方法的实施方式进行说明。如图1～图3所示，颗粒状物质检测装置具备：作为检测被测量气体G所包含的颗粒状物质的传感器部的颗粒状物质检测传感器1、以及作为基于来自颗粒状物质检测传感器1的检测信号来检测颗粒状物质的颗粒数的传感器控制部的电子控制单元(以下，称为ECU)4。ECU4向颗粒状物质检测传感器1输出控制信号并对颗粒状物质的捕集和检测进行控制。

如图1所示，颗粒状物质检测传感器1由电阻型的传感器元件10、以及覆盖其外周的保护罩12构成。传感器元件10将保护罩12的轴向作为长边方向X(即，图1的上下方向)，在其前端侧(即，图1中的下端侧)的表面具备暴露于被测量气体G的检测部2。检测部2能够通过内置于传感器元件10的加热器部3进行加热。保护罩12是由不锈钢等金属材料构成的筒状体形状，且在侧面及前端面具有多个被测量气体流通孔13、14。例如，如图示那样，被测量气体从与检测部2相对的侧面的被测量气体流通孔13被导入保护罩12内，沿检测部2的表面形成朝向前端面的被测量气体流通孔14的被测量气体G的流动。

被测量气体G例如是从图3所示的内燃机E排出的燃烧废气，颗粒状物质(即，PM)是包含作为导电性成分的Soot(即，煤)与作为有机成分的SOF(即，可溶性有机成分)的混合物。颗粒状物质的排出量、颗粒的状态，例如粒径、化学组成根据内燃机E的运转状态而发生变化。内燃机E例如是柴油发动机，在供废气流通的废气通路E1配置成为颗粒状物质捕集部的柴油颗粒过滤器(以下，称为DPF)5。颗粒状物质检测传感器1配置于DPF5的下游，以前端侧半部位于废气通路E1内的方式安装固定于废气通路E1壁。颗粒状物质检测传感器1连接于ECU4，向ECU4输出与DPF5的下游的废气中的PM量对应的检测信号。

如图2所示，传感器元件10具有：长方体形状的绝缘性基体11、形成于该绝缘性基体11的长边方向X的前端侧(即，图2中的左右方向的右端侧)表面的检测部2、以及埋设于绝缘性基体11的内部的加热器部3。检测部2由一对电极21、22构成，该一对电极21、22在绝缘性基体11的一侧面(即，图2中的上侧面、图1中的左侧面)以梳齿状印刷形成。梳齿状的电极21、22分别由多个线状电极构成，极性不同的线状电极被交替地平行配设而构成了多个电极对。电极21、22分别与从绝缘性基体11的前端侧向基端侧(即，图2中的左端侧)延伸的线状的导线电极21a、22a连接。

加热器部3由配置于绝缘性基体11的前端侧的加热器电极31、以及连接于加热器电极31并向基端侧延伸的导线电极31a、31b构成。绝缘性基体11例如由氧化铝等绝缘性陶瓷材料所构成的多个绝缘片的层叠体构成。此时，在绝缘片的表面印刷形成加热器电极31和导线电极31a、31b，并重叠其它绝缘片，进而烧结成规定的长方体形状的成形体。由此，能够形成内置加热器部3的传感器元件10。

检测部2的电极21、22、导线电极21a、22a、加热器部3的加热器电极31、导线电极31a、31b例如由贵金属等导电性材料构成，并能够使用丝网印刷等来形成规定的电极形状。此外，也可以不将加热器部3埋设于绝缘性基体11内，而在绝缘性基体11的表面，例如与形成检测部2的一侧面不同的侧面印刷形成加热器部3。加热器部3构成为能够对检测部2进行加热即可，例如也能够独立于绝缘性基体11地设置。

如图4、5所示，颗粒状物质检测传感器1的传感器元件10也可以是在绝缘性基体11的前端面具有由层叠构造的一对电极21、22构成的检测部2的结构。传感器元件10例如是对在成为绝缘性基体11的多个绝缘片之间交替地配设有成为电极21或电极22的电极膜的层叠体进行烧结而形成的。此时，成为电极21、22的电极膜的端缘部在绝缘性基体11的前端面交替地露出而构成由极性不同的线状电极组成的多个电极对。成为电极21或电极22的电极膜分别与未图示的导线电极连接，并在绝缘性基体11的基端侧相互连接。

在保护罩12内，具有层叠构造的检测部2的传感器元件10配置为，检测部2所在的前端面位于比在保护罩12的侧面开口的多个被测量气体流通孔13稍靠基端侧的位置。保护罩12的构成与上述图1所示的例相同，被测量气体G从侧面的多个被测量气体流通孔13向保护罩12内流入，成为朝向前端面的被测量气体流通孔14的气体流动。此时，被测量气体G的流动并不是从被测量气体流通孔13直接朝向检测部2，而是成为被导入保护罩12内的被测量气体G的流动在传感器元件10的前端面的附近汇合、进而朝向前端面的被测量气体流通孔14的气体流动。

在层叠构造的传感器元件10中，也具备未图示的加热器部3，能够将加热器电极31与其导线电极31a、31b埋设形成于绝缘性基体11内，或者在绝缘性基体11的表面印刷形成。此外，在层叠构造的传感器元件10中，也可以不将检测部2形成在前端面，而是配置在前端侧的一侧面。在这种情况下，也同样是成为电极21、22的绝缘膜被配置在成为绝缘性基体11的绝缘片间、且绝缘片的厚度成为电极21、22间的距离的构成。

ECU4控制颗粒状物质检测传感器1的检测部2及加热器部3的动作，并且控制内燃机E的运转状态。在图3中，在颗粒状物质检测传感器1的附近的废气通路E1壁安装固定有废气温度传感器51，能够对DPF5的下游的废气温度进行检测，且在内燃机E的进气通路E2配设空气流量计52，对进气流量进行检测。另外，设有对内燃机E的转速进行检测的转速传感器53、对加速踏板的动作进行检测的加速踏板传感器54、其他的各种检测装置。ECU4中被输入来自这些各种检测装置的检测信号。

ECU4以具备微型计算机4A的公知构成，经由输入输出接口I/F而连接于各种检测装置。微型计算机4A具备进行运算处理的CPU、以及存储程序、数据等的ROM、RAM，并周期性地执行程序而对包括颗粒状物质检测传感器1在内的内燃机E的各部进行控制。在此，根据内燃机E的运转条件，被排出到废气通路E1的颗粒状物质的SOF含量发生变化。当导电性低的SOF含量增加时，被检测部2捕集的颗粒状物质的电阻值发生变化，因此即使是相同的粒径、相同的捕集量，传感器输出也会不同。所以，在本方式中，排除颗粒状物质所含的SOF的影响，进而进行温度校正，推定颗粒状物质的粒径，并计算颗粒数。

ECU4向颗粒状物质检测传感器1输出控制信号，使颗粒状物质堆积于传感器元件10的检测部2，基于来自传感器元件10的信号对被捕集的颗粒状物质进行检测。具体而言，如图1所示，ECU4具备：捕集控制部41，向检测部2的一对电极21、22间施加规定的电压而形成静电场，并对被测量气体G中的颗粒状物质进行静电捕集；加热控制部42，向加热器部3的加热器电极31供给电力并加热至规定的温度；以及颗粒数计算部43，基于传感器元件10的传感器输出V和颗粒状物质的平均粒径D计算被捕集的颗粒状物质的颗粒数N。

颗粒状物质检测传感器1在检测部2中，在一对电极21、22间捕捉颗粒状物质，并对因颗粒状物质的量而发生变化的电特性进行检测。一对电极21、22间的距离例如被设定在5～500μm的范围内，一般来说，距离越小检测灵敏度越高。加热器部3将检测部2加热至所需的温度，例如能够使捕集到的颗粒状物质中所含的SOF挥发，进而燃烧去除Soot。例如，能够使SOF挥发的第1温度T1在200℃以上且400℃以下的范围内进行选择，能够将Soot燃烧去除的第2温度T2在600℃以上且1000℃以下的范围内进行选择。

此时，通过一边监测颗粒状物质检测传感器1的传感器元件10的温度T，一边将检测部2控制在所需的温度，并逐步地检测颗粒状物质的量，能够排除因运转状态而发生变动的SOF的影响，高精度地检测出以导电性的Soot为主的颗粒状物质的颗粒数。传感器元件10的温度T例如可以利用加热器部3的加热器电阻值变化与加热器电极31的温度的相关来进行推定。一般来说，由于加热器电阻值越大，加热器部3的发热量越大，且加热器电极31的温度升高，因此，例如在导线电极31a、31b间夹设未图示的测量电路来测量加热器电阻，并使用预先制作的图(map)等来测量传感器元件10的温度T。可以使图等预先存储在作为ECU4的存储区域的ROM中。此外，传感器元件10的温度T能够通过任意方法进行检测或推定，也可以在颗粒状物质检测传感器1并列设置对检测部2附近的温度进行检测的温度传感器等。

并且，颗粒数计算部43具有输出变化率计算部431，该输出变化率计算部431通过加热器部3对检测部2进行加热，取得第1温度T1时的传感器输出即第1输出值V1、以及加热至第2温度T2时的最大传感器输出即第2输出值V2，并计算其比率即输出变化率V2/V1。输出变化率计算部431具有对计算出的上述输出变化率V2/V1进行校正的温度校正机构。该温度校正机构通过基于第2输出值V2时的传感器元件10的温度T对输出变化率V2/V1进行校正，能够排除输出变化率V2/V1的温度带来的影响，更高精度地实施颗粒状物质的检测。

这样的颗粒状物质检测装置能够在配置于颗粒状物质检测传感器1的上游的DPF5的故障诊断中利用。一般来说，若DPF5正常，则被排出的颗粒状物质被DPF5捕集，在其下游几乎不被排出。在DPF5产生某种异常导致颗粒状物质的捕集性能下降的情况下，在下游侧的颗粒状物质检测传感器1中，能够通过测量被排出的颗粒状物质的颗粒数N来判定异常的有无。此时，通过减小颗粒状物质所含的SOF的影响、以及因检测时的温度的影响导致的检测偏差，能够提高颗粒状物质检测传感器1的检测精度，并迅速地检测出异常。

以下，使用流程图对由ECU4执行的颗粒状物质检测处理的细节进行说明。如图6所示，在开始颗粒状物质检测处理后，首先在步骤S1中，实施向颗粒状物质检测传感器1的检测部2的颗粒状物质的捕集。在捕集开始时，通过后述的加热处理预先将颗粒状物质燃烧去除，使检测部2中不堆积颗粒状物质。步骤S1是作为ECU4的捕集控制部41的处理，向传感器元件10的一对电极21、22间施加预先设定的规定的电压，并使导入至保护罩12内的颗粒状物质堆积于检测部2。

接着，在步骤S2中，取得来自传感器元件10的传感器输出V，并判断是否已达到规定的输出V0。如图7所示，基准输出即规定的输出V0例如是对应于成为用于DPF5的故障诊断的阈值的颗粒状物质的堆积量而预先设定，并成为颗粒状物质的检测基准的基准输出值。在传感器输出V低于规定的输出V0的情况下，步骤S2被作出否定判定，并返回至步骤S1，继续静电捕集以及传感器输出V的取得。

在步骤S2中，若传感器输出V达到规定的输出V0，则认为已达到计算颗粒状物质的颗粒数的定时，并前进至步骤S3，通过以后的处理计算颗粒状物质的颗粒数。步骤S3、S5是作为ECU4的加热控制部42的处理，步骤S4、S6～S12是作为ECU4的颗粒数计算部42的处理。

在步骤S3中，向传感器元件10的加热器部3供给电力，并对检测部2进行加热，使升温至能够挥发SOF且Soot不会燃烧的第1温度T1。如图8所示，第1温度T1可在如下温度范围内进行选择：能够与颗粒状物质所含的SOF比例无关地得到同等的输出变化率V2/V1的温度、即200℃以上且400℃以下的范围(例如，350℃)。此时，加热控制部42在达到规定的输出V0时刻以后开始加热，并以收敛于预先确定的第1温度T1的方式控制升温速度。例如，在直到第1温度T1的附近为止，使升温速度为一定，之后，缓缓地降低升温速度而使其收敛于第1温度T1即可。关于该SOF比例与输出变化率V2/V1的关系的细节稍后进行说明。

如图7所示，伴随通过加热器部3的动作使检测部2的温度上升并收敛于第1温度T1，传感器输出V也描绘出相同的曲线，并收敛于第1温度T1时的第1输出值V1。这是由伴随温度上升使SOF挥发、导电率提高引起的。因此，在步骤S3中，预先设定达到第1温度T1所需要的规定的时间，在经过该规定的时间之后，前进至步骤S4。规定的时间为，加热保持至达到第1温度T1进而SOF充分挥发所需要的时间，可以任意地设定(例如，60秒)。在步骤S4中，取得第1温度T1时的第1输出值V1。

接着，前进至步骤S5，通过加热器部3对检测部2进一步进行加热，使其上升至第2温度T2。第2温度T2可在能够燃烧去除Soot的温度、即600℃以上且1000℃以下的范围(例如，800℃)内进行选择。当第2温度T2低于600℃时，担心Soot的燃烧不充分，若超过1000℃，则会对传感器元件10的耐热性产生影响。

如图7所示，伴随检测部2的温度从第1温度T1上升并收敛于第2温度T2，传感器输出V虽然最初也同样上升，但以某一时刻为峰值而在那之后传感器输出V会下降。这是因为在从向第2温度T2加热开始到传感器输出V达到最大输出即第2输出值V2为止的期间为Soot不燃烧的温度，由于在达到第2输出值V2后变为Soot燃烧的温度，因此传感器输出V会下降到Soot被燃烧去除为止。在此可推测，在从向第2温度T2加热开始到第2输出值V2的期间，传感器输出V从第1输出值V1进一步上升是因为被加热至比第1温度T1高温的第2温度T2，使得被捕集的颗粒状物质的结晶构造发生变化，具有导电性的石墨的结晶性提高。

因此，在步骤S5中，在从第1温度T1到达第2温度T2后，保持了规定的时间之后，前进至步骤S6。规定的时间例如是，传感器输出V达到第2输出值V2后，温度上升至第2温度T2，进而颗粒状物质被燃烧除去为止，加热保持所需要的时间，且可以任意地设定。在步骤S6中，取得上升至第2温度T2为止的最大输出即第2输出值V2，并前进至步骤S7，对第2输出值V2时的传感器元件10的温度T进行检测。进而，在步骤S8中，根据第1输出值V1与第2输出值V2计算其输出变化率V2/V1。

在此，如图8所示，关于同一平均粒径(例如，55nm左右)且SOF比例不同的颗粒状物质，使第1温度T1变化时，在200℃～400℃的范围内，不论SOF比例如何，输出变化率V2/V1都为同等。即，在200℃～400℃的范围内选择第1温度T1的情况下，在加热至第1温度T1的过程中SOF充分挥发，可得到排除了SOF的影响的第1输出值V1。此外，图8中的○的点表示发动机转速为1654rpm、转矩为24Nm、PM中的SOF比例为7.7质量％的条件下的结果。另外，□的点表示发动机转速为2117rpm、转矩为83Nm、SOF比例为1.3质量％的条件下的结果。

与此相对，当第1温度T1低于200℃时，SOF比例较大情况下的输出变化率(即，○的结果)大于SOF比例较小情况下的输出变化率(即，□的结果)。将此推断为：当第1温度T1低于200℃时，由于SOF的挥发不充分使得第1输出值V1发生变化，且在其影响下，SOF比例越大，输出变化率V2/V1越大。另外，当第1温度T1超过400℃时，存在产生Soot的燃烧的隐患。

这样得到的输出变化率V2/V1与颗粒状物质的平均粒径D存在相关性，若为相同的平均粒径，则在使第1温度T1、第2温度T2为相同条件情况下的输出变化率V2/V1相同。这是因为，粒径越小的颗粒状物质，越会成为导电性低的非晶体状态，在向第2温度T2加热的过程中，结晶构造变化为石墨，导电性提高。即，存在平均粒径D越小、加热前的传感器输出V变得越小的倾向，另一方面，由于加热后的传感器输出V与粒径无关地成为大致相同的值，因此导电率的变化量即输出变化率V2/V1变大。

因此，能够根据输出变化率V2/V1推定颗粒状物质的平均粒径D，并用于颗粒数N的计算。然而，明确到事实上即使是相同的运转条件、测定条件，如图9所示，第2输出值V2时的传感器元件10的温度T和输出变化率V2/V1中也产生偏差。此外，图9示出了，在使用发动机台架的运转试验中，在几个同一运转条件(即，同一平均粒径)下反复测量输出变化率V2/V1的结果。运转条件设为，发动机转速为2117rpm，且转矩为83Nm，测定条件设为，第1温度T1为350℃，且第2温度T2为800℃。

在图9中，第2输出值V2时的传感器元件10的温度T在450℃～500℃的范围内偏差，与此相伴，温度T越高，输出变化率V2/V1越高。推断这是因为，即使内燃机E的运转条件相同，但传感器元件10的周边的温度或颗粒状物质的堆积状态产生轻微的差别而影响Soot的燃烧开始，并且，Soot的导电性受温度的影响，在燃烧开始温度的作用下，第2输出值V2产生变化。其结果，在图7中，在从第1温度T1升温至第2温度T2期间，在Soot开始燃烧的时刻的传感器元件10的温度T未必是一定的，变成成为最大输出的第2输出值V2、甚至输出变化率V2/V1中产生偏差的原因。

因此，使用图9示出的关系，首先在步骤S9中，基于传感器元件10的温度T对输出变化率V2/V1进行校正。步骤S9是作为输出变化率计算部431的温度校正机构的处理。具体而言，如图9那样，由于第2输出值V2时的传感器元件10的温度T与输出变化率V2/V1大致具有正相关，因此能够按每个运转条件、测定条件来对该关系进行预先调查并事先存储于微型计算机4A的ROM。之后，在步骤S10中，使用已校正的输出变化率V2/V1来推定颗粒状物质的平均粒径D，从而能够排除颗粒状物质的检测中的传感器元件10的周边的温度的影响。

在步骤S10中，使用已校正的输出变化率V2/V1和图10中实线所示出的关系来推定颗粒状物质的平均粒径D。在图10中，纵轴示出平均粒径D(即，中值粒径)的倒数，并用实线示出基于EEPS(Engine Exhaust Particle Sizer)Spectorometer的实验结果，用虚线示出其±10％的范围。如图示那样，由于输出变化率V2/V1与平均粒径D的倒数大致具有正相关，因此能够按每个运转条件、测定条件来对该关系进行预先调查并事先存储于ECU4的存储区域即ROM。通过该处理得到的平均粒径D是在从步骤S1的静电捕集开始至步骤S2的达到判定定时的捕集期间被排出到DPF5的下游的颗粒状物质的平均粒径。

图10、图11中的点分别示出了实际的平均粒径D相对于基于步骤S9的校正前的输出变化率V2/V1、以及基于步骤S9的校正后的输出变化率V2/V1的关系。关于图10中的多个点，可以看出实际的平均粒径D与输出变化率V2/V1的关系为偏离实线±10％的范围，与此相对，关于图11中的多个点，基本全部落在实线±10％的范围，可知通过校正提高了平均粒径的推定精度。

接着，前进至步骤S11，基于第1输出值V1，推定在捕集期间被传感器元件10的检测部2捕集的颗粒状物质的质量M。第1输出值V1是基于Soot主体的颗粒状物质的传感器输出V，与颗粒状物质的质量M具有正相关。通过对该关系进行预先调查并事先存储于ECU4的存储区域即ROM，能够推定质量M。

进一步，前进至步骤S12，使用推定出的颗粒状物质的质量M与平均粒径D，通过下述式1、式2来计算颗粒状物质的颗粒数N。

式1：颗粒数N＝质量M/PM平均体积×PM比重

式2：PM平均体积＝4π(D/2)³/3

在此，颗粒状物质的比重(即，PM比重)是预先确定的值(即，1g/cm³)，颗粒状物质的平均体积(即，PM平均体积)是根据推定出的颗粒状物质的平均粒径D、将颗粒状物质看作球状并通过上述式2而计算出的。

(实施方式2)

在上述实施方式1中，对基于第1输出值V1推定颗粒状物质的质量M的情况进行了说明，但也可以使用除第1输出值V1之外的值。

如图12所示，在本方式中，由作为传感器控制部的ECU4执行的颗粒状物质检测处理将图6示出的实施方式1的顺序的一部分进行了变更。具体而言，设有代替图6的步骤S11的步骤S111这一点是不同的，由于步骤S1～S10是与图6相同的处理，因此省略说明。在图12的步骤S111中，代替第1温度T1时的第1输出值V1而使用步骤S2被作出肯定判定的时刻的传感器输出V来推定颗粒状物质的质量M。

在图12的步骤S2中，判定传感器输出V是否已达到预先设定的规定的输出V0，作为作出肯定判定的时刻的传感器输出V的第3输出值V3，与在捕集期间被传感器元件10的检测部2捕集的颗粒状物质的质量M大致具有正相关。因此，也可以对该关系进行预先调查并事先存储于ECU4的存储区域即ROM，进而对质量M进行推定。此外，第3输出值V3是基于SOF被去除前的颗粒状物质的输出，但在质量的推定中SOF的影响较小。或者，也可以在推定质量时考虑运转条件。

接着，在步骤S12中，能够使用步骤S111中计算出的颗粒状物质的质量M与平均粒径D，与上述实施方式1相同地计算颗粒状物质的颗粒数N。

此外，在实施方式2以后所使用的附图标记中，与已经出现的实施方式中所使用的附图标记相同者，只要没有特别示出，则表示与已经出现的实施方式中的构成要素相同的构成要素等。

(实施方式3)

在上述实施方式1、2中，对在计算出输出变化率V2/V1后进行温度校正的情况进行了说明，通过进行升温控制，也可以无需进行温度校正。即，在本方式中，加热控制部42具有对从第1温度T1加热至第2温度T2时的升温速度进行控制的升温控制机构。加热控制部42至少到超过与第2输出值V2对应的传感器元件10的温度T为止将升温速度控制为一定。通过该升温控制机构，能够使开始Soot的燃烧的传感器元件10的温度T稳定，并抑制输出变化率V2/V1的偏差。

如图13所示所示，在本方式中，由传感器控制部即ECU4执行的颗粒状物质检测处理将图6示出的实施方式1的顺序的一部分进行了变更。具体而言，设有代替图6的步骤S5的步骤S51这一点，以及不实施步骤S7的温度取得与步骤S9的温度校正这一点不同。由于步骤S1～S4是与图6相同的处理，因此省略说明。

在图13的步骤S51中，使用加热控制部42进行升温控制的同时，对传感器元件10进行加热。步骤S51是作为升温控制机构的处理，具体而言，预先确定一定的升温速度α，如图7所示，在从第1温度T1至第2温度T2的附近为止，控制在一定的升温速度α。之后，使升温速度缓缓下降，并收敛于第2温度T2。如上所述，当从保持于第1温度T1的状态进一步进行加热时，颗粒状物质的结晶性提高且传感器输出上升，当达到颗粒状物质的燃烧开始温度时，以第2输出值V2为峰值，传感器输出下降。

此时，若颗粒状物质为相同的平均粒径，则与第2输出值V2对应的的温度T也相同，虽然输出变化率V2/V1应该是相同的，但实际上，如图9所示出的那样，温度T中产生偏差。关于这一点可明确，如图14所示，在从第1温度T1向第2温度T2加热时，输出变化率V2/V1对应于升温速度而变化。此外，图14是在与图9相同的条件下进行使用发动机台架的运转试验而对输出变化率V2/V1进行测量的结果，示出了与开始从第1温度T1向第2温度T2升温时的升温速度(例如，15℃/秒～23℃/秒)的关系。

在图14中，可以看出升温速度越快、输出变化率V2/V1越大的倾向。因此，通过基于图14按每个升温速度事先求出与平均粒径D的关系，能够推定颗粒状物质的平均粒径D。例如，如图14中虚线所示的那样，从第1温度T1向第2温度T2的升温速度控制为18℃/秒时的输出变化率V2/V1与平均粒径D(即，中值粒径)的倒数的关系如图15那样。即，在进行了升温速度的控制的情况下，与实际的平均粒径D的关系都在实线±10％的范围。与此相对，在未进行升温速度的控制的情况下，产生了与图10所示出的相同的偏差。这样确认了，通过升温速度的控制，抑制了Soot的燃烧开始温度的偏差，进而图7中的温度T稳定。

图15所示的关系能够按每个升温速度进行预先调查并事先存储于ECU4的存储区域即ROM。然后，在步骤S51中，直到充分超过Soot的燃烧开始温度为止，以一定的升温速度α升温，之后，升温至第2温度T2并保持规定的时间。接着，前进至步骤S6，取得上升至第2温度T2为止的最大输出即第2输出值V2。接着，在步骤S8中，根据第1输出值V1与第2输出值V2计算其输出变化率V2/V1。

在本方式中，省略了图6所示的步骤S7、即第2输出值V2时的传感器元件10的温度T的检测、以及基于该温度T的步骤S9的温度校正7。也就是说，在步骤51中，控制为成为预先确定的一定的升温速度α，从而能够基于预先知晓的升温特性，实现稳定的升温，并抑制Soot的燃烧开始温度的偏差，进而使成为第2输出值V2的温度大致一定。因此，步骤8中得到的输出变化率V2/V1实质上是与进行了温度校正的情况同等的结果。由此，在步骤10中，能够根据与步骤8中得到的输出变化率V2/V1、以及与升温速度α对应的图来推定平均粒径D。

之后，在步骤S11中，根据第1输出值V1计算颗粒状物质的质量M，接着，在步骤S12中，使用步骤S10、S11中计算出的平均粒径D与颗粒状物质的质量M，能够与上述实施方式1相同地计算颗粒状物质的颗粒数N。

图16、图17分别示出了，在未进行基于步骤51的升温速度的控制的情况、以及进行了升温速度的控制的情况下，步骤S12的计算值即推定颗粒数N与实测颗粒数的关系。如图16中的虚线所示，可以看出，在无升温速度的控制的情况下，推定颗粒数N与实测颗粒数的关系为偏离实线±10％的范围。与此相对，如图17中的虚线所示，确认到在有升温速度的控制的情况下，推定颗粒数N与实测颗粒数的关系为全部落在实线±10％的范围。

(实施方式4)

关于上述实施方式3，能够与上述实施方式2一样地基于除第1输出值V1以外的值对颗粒状物质的质量M进行推定。

在图18所示的实施方式4中，由传感器控制部即ECU4执行的颗粒状物质检测处理变更了图13所示的上述实施方式3的顺序的一部分。具体而言，设有代替图13的步骤S11的步骤S111这一点不同，由于步骤S1～S6、S8、S10是与图13相同的处理，因此省略说明。

在图18的步骤S111中，代替第1温度T1时的第1输出值V1而使用步骤S2被作出肯定判定的时刻的传感器输出V来对颗粒状物质的质量M进行推定。在图18的步骤S2中，判定传感器输出V是否已达到预先设定的规定的输出V0，并使用作出肯定判定的时刻的传感器输出V即第3输出值V3。如上所述，第3输出值V3与在捕集期间被传感器元件10的检测部2捕集的颗粒状物质的质量M大致具有正相关，可以对该关系进行预先调查并事先存储于ECU4的存储区域即ROM。

接着，在步骤S12中，使用步骤S111中计算出的颗粒状物质的质量M与平均粒径D，能够与上述实施方式3一样地计算颗粒状物质的颗粒数N。

如以上的各实施方式所示，通过对颗粒状物质检测传感器1的检测部2施加电压并捕集颗粒状物质，并且使用加热器部3并加热控制到第1温度T1、第2温度T2，监测此时的传感器输出V，从而能够高精度地检测颗粒状物质的颗粒数。另外，能够将这样的颗粒状物质检测装置利用于内燃机的排气净化装置等中，实施在上游配置的DPF5的故障诊断。

具备颗粒状物质检测传感器1与ECU4的本公开的颗粒状物质检测装置并不限于上述实施方式，在不超过本公开的主旨范围内，可以进行各种变更。例如，在上述实施方式1中，将颗粒状物质检测传感器1的覆盖传感器元件10的保护罩12设置为单重筒构造，但也可以设置为由内筒与外筒构成的双重筒构造。设于保护罩12的被测量气体流通孔13、14的配置和数量也可以任意地设定。除此之外，可以适当变更构成颗粒状物质检测传感器1的传感器元件10、保护罩12的各部形状和材质等。

另外，在上述实施方式1中，将内燃机E设置为柴油发动机，并配置了成为颗粒状物质捕集部的DPF5，但也可以将内燃机E设置为汽油发动机，并配置汽油颗粒过滤器。并且，不限于内燃机E的燃烧废气，只要是包含颗粒状物质的被测量气体则均能适用。

Claims (12)

1.一种颗粒状物质检测装置，对被测量气体所含的颗粒状物质进行检测，其中，该颗粒状物质检测装置具备：

传感器部(1)，具有在暴露于被测量气体的绝缘性基体(11)的表面配置有相互分离的一对电极(21、22)的检测部(2)、以及设有对该检测部进行加热的加热器电极(31)的加热器部(3)，所述传感器部输出与被所述检测部捕集的颗粒状物质的量相应的信号；以及

传感器控制部(4)，基于来自该传感器部的传感器输出(V)，对捕集到的颗粒状物质的颗粒数(N)进行检测，

该传感器控制部具有：

捕集控制部(41)，向所述检测部的所述一对电极间施加电压，对颗粒状物质进行静电捕集；

加热控制部(42)，向所述加热器部的所述加热器电极供给电力，加热保持至颗粒状物质中的溶解性有机成分能够挥发且煤不会燃烧的第1温度(T1)，或者加热保持至煤能够燃烧的第2温度(T2)；

输出变化率计算部(431)，取得作为所述第1温度时的所述传感器输出的第1输出值(V1)、以及作为从所述第1温度加热至所述第2温度时的最大的所述传感器输出的第2输出值(V2)，并计算作为所述第2输出值相对于所述第1输出值的比率的输出变化率(V2/V1)；以及

颗粒数计算部(43)，具有对所述第2输出值时的所述传感器部的温度(T)进行检测的机构、以及基于由该机构检测出的温度(T)而对计算出的所述输出变化率进行校正的温度校正机构，基于根据由该温度校正机构校正后的该输出变化率推定的颗粒状物质的平均粒径(D)、以及根据所述传感器部的第1输出推定的颗粒状物质的质量(M)，对所述颗粒数进行计算。

2.一种颗粒状物质检测装置，对被测量气体所含的颗粒状物质进行检测，其中，该颗粒状物质检测装置具备：

传感器部(1)，具有在暴露于被测量气体的绝缘性基体(11)的表面配置有相互分离的一对电极(21、22)的检测部(2)、以及设有对该检测部进行加热的加热器电极(31)的加热器部(3)，所述传感器部输出与被所述检测部捕集的颗粒状物质的量相应的信号；以及

传感器控制部(4)，基于来自该传感器部的传感器输出(V)，对捕集到的颗粒状物质的颗粒数(N)进行检测，

该传感器控制部具有：

捕集控制部(41)，向所述检测部的所述一对电极间施加电压，对颗粒状物质进行静电捕集；

加热控制部(42)，向所述加热器部的所述加热器电极供给电力，加热保持至颗粒状物质中的溶解性有机成分能够挥发且煤不会燃烧的第1温度(T1)，或者加热保持至煤能够燃烧的第2温度(T2)；

输出变化率计算部(431)，取得作为所述第1温度时的所述传感器输出的第1输出值(V1)、以及作为从所述第1温度加热至所述第2温度时的最大的所述传感器输出的第2输出值(V2)，并计算作为所述第2输出值相对于所述第1输出值的比率的输出变化率(V2/V1)；以及

颗粒数计算部(43)，使用根据计算出的所述输出变化率推定的颗粒状物质的平均粒径(D)和根据所述传感器输出推定的颗粒状物质的质量(M)来计算所述颗粒数，

所述加热控制部具有升温控制机构，该升温控制机构对从所述第1温度加热至所述第2温度时的升温速度(α)进行控制。

3.如权利要求2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

至少到超过与所述第2输出值对应的所述传感器部的温度(T)为止，所述加热控制部将所述升温速度控制为一定。

4.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述传感器控制部判断所述传感器输出是否已达到成为颗粒状物质的检测基准的基准输出(V0)，使所述加热控制部动作。

5.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述颗粒数计算部使用所述第1输出值来计算颗粒状物质的所述质量。

6.如权利要求4所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述颗粒数计算部使用作为达到所述基准输出的时刻的所述传感器输出的第3输出值(V3)来计算颗粒状物质的所述质量。

7.权利要求4所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述加热控制部在达到所述基准输出后开始加热，并以收敛于预先确定的所述第1温度的方式对升温速度进行控制。

8.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述颗粒数计算部以所述输出变化率越大所述平均粒径越小的方式推定所述平均粒径。

9.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述颗粒数计算部根据颗粒状物质的所述质量、颗粒状物质的所述平均粒径、以及颗粒状物质的比重来计算所述颗粒数。

10.如权利要求9所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述颗粒状物质的比重为1g/cm³。

11.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述第1温度为200℃以上且400℃以下的温度。

12.如权利要求1或2所述的颗粒状物质检测装置，其中，

所述第2温度为600℃以上且1000℃以下的温度。

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