JP6672066B2

JP6672066B2 - 粒子状物質センサ及びそれを用いた排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP6672066B2
Application number: JP2016092467A
Authority: JP
Inventors: チャン，ヨン−ソー; オー，ソー−ミン; キム，ウン−ジ
Original assignee: アモテックシーオー，エルティーディー
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2036-05-02
Also published as: CN106248540B; JP2017003572A; US20160363522A1; US10473573B2; DE102016108030B4; KR101547446B1; DE102016108030A1; CN106248540A

Description

本発明は、粒子状物質センサ及びそれを用いた排気ガス浄化システムに関するものである。

一般に、排気規制の更なる強化に伴い、排気ガスを浄化する後処理装置に関する関心が高まっている。特に、ディーゼル自動車に対する粒子状物質（ＰＭ）に対する規制がさらに厳しくなってきている。

具体的に、大気汚染物質によるヒトの快適な環境の要求及び各国の環境規制により、排気ガスに含まれる排気汚染物質に対する規制が次第に厳しくなり、これに対する対策として様々な排気ガスろ過方法が工夫されている。

そこで、排気ガスを処理する後処理技術（特許文献１）が提案されており、前述した後処理技術は、酸化触媒、窒素酸化物触媒、及び媒煙ろ過装置を介した排気ガス低減装置などがある。

前述のような酸化触媒、窒素酸化物触媒、及び媒煙ろ過装置のうち、粒子状物質を低減する最も効率的で、且つ実用化に近い技術は、媒煙ろ過装置を用いた排気ガス低減装置である。

排気ガス低減装置の故障有無を診断するためには、ＤＰＦフィルタ後端に抵抗方式の粒子状物質センサ（ＰＭセンサ）が取り付けられる。即ち、センサ表面上の電極間に粒子状物質（ＰＭ）が沈殿され、沈澱された粒子状物質（ＰＭ）により電極間に電流が形成されて、センサの電気伝導率が変化されるようになる。

このような抵抗方式粒子状物質センサは、初期の電流が形成されるまでの応答速度が非常に遅く、金属のような電気伝導性を有する粒子状物質が表面に沈殿された場合、粒子状物質の量に関係なく、信号の歪みが生じることで、センサの誤作動を引き起こす致命的な問題があった。

特開２００９−８５９５９号公報

本発明の目的は、電気伝導性の異質物が沈殿されても、センサの破損を防止することができる粒子状物質センサ及びそれを用いた排気ガス浄化システムを提供することである。

前述した課題を解決するために本発明の一側面に係る粒子状物質センサは、互いに電気的に連結されない複数個の第１電極を含む第１電極部が、一面上に露出するように形成された第１絶縁層と、電気的に連結された複数個の第２電極を含む第２電極部を一面上に備え、前記第１絶縁層と並んで離隔配置される第２絶縁層と、前記第２絶縁層の他面に位置される第３絶縁層の一面に形成される温度感知部と、前記第３絶縁層の他面に位置される第４絶縁層の一面形成され、前記第１及び第２電極部を加熱するヒータ部と、を含み、前記複数個の第１電極のいずれか一つは、第１電気接続端子に電気的に連結され、前記複数個の第２電極は、第２電気接続端子に電気的に連結され、複数個の前記第１電極と複数個の前記第２電極は、互いに対応されるよう配置され、前記第１電極間に溜まる粒子状により、前記第１電極が電気的に連結され、前記第１電極と前記第２電極と間の静電容量が変化される。

このとき、複数個の第１電極及び複数個の第２電極は、それぞれ前記第１及び第２絶縁層の長手方向に並んで配列され、複数個の第１電極及び複数個の第２電極の配列は、前記第１及び第２絶縁層の幅方向に互いに対応されるように配列される。

このとき、第１電極間に粒子状物質が順次に堆積されることで、第１電極が電気的に連結され、第１電極の面積が広くなるにつれて、第１電極と第２電極と間の静電容量が増大される。

このとき、第１絶縁層及び第２絶縁層間に位置される誘電層を、更に含んでもよい。

このとき、第１絶縁層及び誘電層には、複数個の第２電極を第２電気接続端子に電気的に連結するための第１ビアホールが形成される。

このとき、第４絶縁層には、ヒータ部に電気的に連結される第３電気接続端子及び第４電気接続端子、そして第３及び第４電気接続端子と電気的に連結されない第５電気接続端子が形成され、第３絶縁層には、温度感知部を第４絶縁層上の第３電気接続端子及び第５電気接続端子と電気的に連結するための第２ビアホールが形成される。

このとき、温度感知部の面積は、ヒータ部の面積範囲内に設定される。

一方、本発明の他の側面に係る排気ガス浄化システムは、排気マニホールドと、前記排気マニホールドから排出される排気ガス内に含まれる微粒子を除去する排気ガス微粒子フィルタと、前記排気ガス微粒子フィルタに連結される流出側排気管に設けられ、前記排気ガス微粒子フィルタを通過して下流側に抜け出る粒子状物質を検出する粒子状物質センサと、を含み、前記粒子状物質センサは、互いに電気的に連結されない複数個の第１電極を含む第１電極部が、一面上に露出するように形成された第１絶縁層と、電気的に連結された複数個の第２電極を含む第２電極部を一面上に備え、前記第１絶縁層と並んで離隔配置される第２絶縁層と、前記第２絶縁層の他面上に位置される第３絶縁層上に形成される温度感知部と、前記第３絶縁層の他面上に位置される第４絶縁層上に形成される前記第１及び第２電極部を加熱するヒータ部と、含み、前記複数個の第１電極のいずれか一つは、第１電気接続端子に電気的に連結され、前記複数個の第２電極は第２電気接続端子に電気的に連結され、複数個の前記第１電極と複数個の前記第２電極は、互いに対応されるように配置され、前記第１電極間に溜まる粒子状により、前記第１電極が電気的に連結され、前記第１電極と前記第２電極と間の静電容量が変化され、前記変化される静電容量を測定することによって、前記粒子状物質を検出することができる。

本発明の一実施例に係る排気ガス浄化システムに用いられる粒子状物質センサは、電気伝導度を有する異質物を含む粒子状物質が、複数個の第１電極に形成される空間中の一部空間に堆積され、第１電極部と第２電極部と間の静電容量を測定することによって、センサの信号歪みによる粒子状物質センサの破損を防止することができる。

車両用ディゼルエンジンの排気ガス浄化システムの全体構成を概略的に示した図である。本発明の一実施形態に係る粒子状物質センサを概略的に示した斜視図である。図２の粒子状物質センサの分解斜視図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図２及び図３に係る第１及び第２電極部を示した平面図である。図２及び図３に係るヒータ部と温度感知部を示した平面図である。図２のＡ−Ａ’線の拡大断面図である。本発明の一実施例に係る粒子状物質センサの作動状態を示した断面図である。本発明の一実施例に係る粒子状物質センサの第１電極部と第２電極部を概略的に示した図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。図面で、本発明を明確に説明するために説明と関係ない個所は省略し、明細書全体を通して同一または類似な構成要素については同じ参照符号を用いた。

本発明の図１に係る排気ガス浄化システム１００は、エンジン１１０の排気マニホールド１２０にタービン１３０が設けられており、タービン１３０と連動するターボチャージャー１４０が回転すれば、圧縮された空気がクーラー１５０を通過し、吸気マニホールド（未図示）へ送られる。また、排気マニホールド１２０から排出される燃焼排気の一部は、バルブ１６０及びクーラーを介して吸気マニホールド（未図示）に還流される。

排気マニホールド１２０に接続する排気管１８０には、ディーゼル酸化触媒（未図示）及び排気ガス微粒子フィルタ１７０が設けられ、燃焼排気ガスを処理することができる。即ち、排気管１８０に排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒（未図示）を通過する間に、未燃焼の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び一酸化窒素（ＮＯ）が酸化され、下流側の排気ガス微粒子フィルタ１７０を通過する間に、すす粒子（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）及び無機成分からなる粒子状物質（ＰＭ）が捕集される。

ディーゼル酸化触媒（未図示）は、排気ガス微粒子フィルタ１７０の強制リサイクル時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、或いは粒子状物質中のＳＯＦ成分を酸化除去することができる。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ_２は、後端の排気ガス微粒子フィルタ１７０に堆積した粒子状物質の酸化剤として用いられ、連続的な酸化を可能にする。

排気ガス微粒子フィルタ１７０は、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細い孔が形成され、排気ガス微粒子フィルタ１７０に導入される排出ガス中の粒子状物質を捕獲することができる。ディーゼル酸化触媒と排気ガス微粒子フィルタ１７０を一体化した連続リサイクル式のディーゼル微粒子フィルタとして構成することができる。

排気管１８０には、ディーゼル粒子状フィルタ１７０に堆積した粒子状物質の量を監視するために、差圧センサ１９０が設けられる。差圧センサ１９０は、排気ガス微粒子フィルタ１７０の上流側及び下流側と接続されており、その前後の差圧による信号を出力することができる。

また、ディーゼル酸化触媒の上流及び排気ガス微粒子フィルタ１７０の上下流には、温度センサ（未図示）が設けられ、それぞれの排気温度を監視することができる。制御回路（未図示）は、これらの出力に基づいて、ディーゼル酸化触媒の触媒活性状態やディーゼル粒子状フィルタ１７０の粒子状物質捕集状態を監視し、粒子状物質捕集量が許容量を越えれば、強制リサイクルを実施し、粒子状物質を燃焼除去するリサイクル制御を行う。

粒子状物質センサ２００は、排気ガス微粒子フィルタ１７０の他側に連結される流出側排気管１８２に設けられ、排気ガス微粒子フィルタ１７０を通過して下流側に抜け出る粒子状物質を検出することができる。

本発明の図２及び図３に係る粒子状物質センサ２００は、絶縁基板２１０、第１電極部２２０、第２電極部２３０、ヒータ部２４０、及び温度感知部２５０を含む。

絶縁基板２１０は、複数個の絶縁層２１２、２１４、２１６、２１７、２１８が互いに並んで積層し形成されており、ガラス素材、セラミック素材、アルミナ、スピネル、または二酸化チタンなどの耐熱性の絶縁体からなる。

具体的に、絶縁基板２１０をなす複数個の絶縁層２１２、２１４、２１６、２１７、２１８のうち、第１及び第２絶縁層２１２、２１６間に形成される第５絶縁層２１４には誘電率を有する誘電層２１９が形成される。

このとき、誘電層２１９は、第１電極２２２及び第２電極２３２間に配置される。

詳しくは、誘電層２１９は、第１電極２２２と第２電極２３２と間の円滑な静電容量の特性を具現できるように、第１電極２２２と第２電極２３２間に形成され、セラミック素材からなってもよい。

図２及び図３に示されるように、第１電極部２２０は、絶縁基板２１０の表面に露出され形成される。詳しくは、複数個の絶縁層２１２、２１４、２１６、２１７、２１８の中から最も上部に備えられる第１絶縁層２１２に第１電極部２２０が形成される。

第１電極部２２０は、複数個の第１電極２２２、第１電極リード２２４、及び第１電気接続端子２２６を、更に含んでもよい。複数個の第１電極２２２は、第１絶縁層２１２の表面一側に直線状に並んで離隔形成される。

図４（ａ）に示されるように、複数個の第１電極２２２中の外側に形成された一つの第１電極２２２ａは、第１電極リード２２４を介して第１電気接続端子２２６に電気的に連結され、残りの第１電極２２２ｂは、互いに電気的に連結されない。

第１絶縁層２１２と並んで配置される第２絶縁層２１６は、第２絶縁層２１６の一面上に第２電極部２３０が形成される。

第２電極部２３０は、複数個の第２電極２３２、第２電極リード２３４、及び第２電気接続端子２３６を、更に含んでもよい。複数個の第２電極２３２は、第２絶縁層２１６の一面上に直線状に並んで離隔形成される。

このとき、複数個の第２電極２３２は、互いに電気的に連結される。複数個の第２電極２３２中の一つの第２電極２３２ａは、第２電極リード２３４を介して第２電気接続端子２３６に電気的に接続される。

特に、第１絶縁層２１２及び第５絶縁層２１４には、複数個の第２電極２３２を第２電気接続端子２３６に電気的に連結するための第１ビアホール２１２ａ、２１４ａが形成される。

図４（ａ）に示されるように、第１電極部２２０に備えられる複数個の第１電極２２２と第２電極部２３０に備えられる複数個の第２電極２３２は、互いに対応して第１及び第２絶縁層２１２、２１６に形成され、互いに平行に重なっていてもよい。

具体的に、図４（ｂ）及び図６に示されるように、複数個の第１電極２２２及び複数個の第２電極２３２は、第１及び第２絶縁層２１２、２１６に長手方向に並んで配列される。複数個の第１電極２２２及び複数個の第２電極２３２の配列は、第１及び第２絶縁層２１２、２１６の幅方向に互いに対応されるように配列される。

また、第１電極２２２間には、空間２２８が形成される。第１電極２２２間に形成された空間２２８には粒子状物質が堆積される。

具体的に、第１電極部２２０に形成される全体の空間２２８における最初の空間２２８ａから順次に粒子状物質が堆積され、やがては全体の空間２２８に粒子状物質が堆積される。

そこで、第１電極２２２間が堆積された粒子状物質により連結され、第１電極２２２の導通する面積が順次に広くなり、これにより、第１電極部２２０と第２電極部２３０と間の変化された静電容量を測定することができる。

具体的な静電容量測定方法は、図７を参照して後述する。

第４絶縁層２１８には、第１及び第２絶縁層２１２、２１６、誘電層２１９を加熱するためのヒータ部２４０が形成される。

このとき、ヒータ部２４０の両端は、第４絶縁層２１８に形成される第３電気接続端子及び第４電気接続端子２４２、２４４に電気的に接続される。

また、ヒータ部２４０は、第１電極部２２０に堆積された子状物質を除去するために設けられる。具体的に、一定温度と一定時間の間、ヒータ部２４０が第１電極部２２０を加熱すれば、第１電極部２２０に堆積された粒子状物質が除去することができる。

また、排気ガス微粒子フィルタ（図１の１７０）後端排気環境は、略３００℃以上の高温であり、ヒータ加熱時には、略６５０℃以上になるため、ヒータ部として一般金属を用いる場合酸化される可能性が高いため、ヒータ部２４０は高温で酸化されない物質で形成すればよい。

温度感知部２５０は、第１、第２絶縁層２１２、２１６、及び誘電層２１９の温度を測定するためのものであり、第３絶縁層２１７に形成されてもよく、好ましくは、第２電極部２３０とヒータ部２４０と間に配置される。

また、温度感知部２５０の両端は、それぞれ第４及び第５電気接続端子２４２、２４６に、第２ビアホール２１７ａ、２１７ｂにより電気的に接続される。

具体的に、温度感知部２５０の両端中の一端は、ヒータ部２４０の一端が接続される第４電気接続端子２４２に電気的に接続され、温度感知部２５０の他端は、４絶縁層２１８に形成される第５電気接続端子２４６に接続される。

このとき、第４絶縁層２１８に形成される第５電気接続端子２４６は、第３及び第４電気接続端子２４２、２４４と電気的に連結されない。

このとき、温度感知部２５０で測定された温度と車両に設けられる温度センサ（未図示）で測定された温度の測定値を比較し、第１及び第２絶縁層２１２、２１６を加熱するヒータ部２４０を制御することができる。

一方、温度感知部２５０の設置面積は、ヒータ部２４０の設置面積内に位置するように、図５に示されるように、温度感知部２５０の面積は、ヒータ部２４０の面積と同じであるか、またはそれより小さく形成される。

図７及び図８に示されるように、排気ガス微粒子フィルタ（図１の１７０）を介して流出側排気管１８２に流動した粒子状物質Ｐ１は、流出側排気管１８２の一側に備えられた粒子状物質センサ２００を隣接して通過する。このとき、粒子状物質Ｐ１は、第１電極２２２間に形成された空間２２８上に堆積される。

具体的に、複数個の第１電極２２２中の一つの第１電極２２２ａと一つの第１電極２２２ａに隣接した第１電極２２２ｂ間に堆積される粒子状物質により一つの第１電極２２２ａと一つの第１電極２２２ａに隣接した第１電極２２２ｂが電気的に連結され、電気が導通する第１電極２２２の面積が広くなり、これにより、第１電極２２２と第２電極２３２と間の静電容量が変化されるようになる。

ここで、第１電極２２２と第２電極２３２と間の静電容量は下記数式（１）によって求められる。これにより、第１電極部２２０と第２電極部２３０と間の静電容量を測定することができる。

［数１］
Ｃ＝εＡ／ｔ（１）
式中、
Ａは、粒子状物質Ｐ１が堆積された空間２２８の両側に位置される第１電極２２２ａ、２２２ｂの面積であり、ｔは、粒子状物質Ｐ１が堆積された第１電極２２２と第２電極２３２までの距離である。

ここで、第１電極部２２０に形成される空間２２８のうちの最初の空間から順次に粒子状物質Ｐ１が堆積される度に第１電極２２２間が粒子状物質により連結されることで、第１電極２２２の面積が順次に広くなる。

そこで、第１電極２２２の面積が広くなるにつれて、複数個の第１電極２２２が電気的に連結され、第１電極部２２０と第２電極部２３０と間の静電容量は増大される。

例えば、３個の第１電極２２２が絶縁基板２１０上に形成され、それぞれの第１電極２２２の面積は１であり、空間２２８の面積を１と仮定すれば、静電容量の面積Ａは最小１、最大５の面積を有することができ、これにより、静電容量の大きさも最小１、最大５倍に増大され得る。

即ち、任意の第１電極２２２ａの面積は、一定であるという仮定下に、静電容量は、空間２２８面積の比率で増大されていく。第１電極２２２の面積と堆積される粒子状物質の面積を、使用者が調整することによって、静電容量の大きさは使用者が希望する大きさに調節することができる。

従って、排気ガス浄化システムに用いる粒子状物質センサは、電気伝導度を有する異質物を含む粒子状物質が、複数個の第１電極に形成される空間中の一部空間に堆積され、第１電極部と第２電極部と間の静電容量を測定することによって、センサの信号歪みによる粒子状物質センサの破損を防止することができる。

以上で、本発明の一実施例について説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施例に制限されなく、本発明の思想を理解する当業者は同じ思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施例を容易に想到することができるが、これらもまた本発明の思想範囲内である。

１００排気ガス浄化システム
１１０エンジン
１２０排気マニホールド
１３０タービン
１４０ターボチャージャー
１５０クーラー
１６０バルブ
１７０排気ガス微粒子フィルタ
１８０排気管
１８２流出側排気管
１９０差圧センサ
２００粒子状物質センサ
２１０絶縁基板
２２０第１電極部
２２２第１電極
２２４第１電極リード
２２６第１電気接続端子
２３０第２電極部
２３２第２電極
２３４第２電極リード
２３６第２電気接続端子
２４０ヒータ部
２５０温度感知部

Claims

互いに電気的に連結されない複数個の第１電極を含む第１電極部が、一面上に露出するように形成された第１絶縁層と、
電気的に連結された複数個の第２電極を含む第２電極部を一面上に備え、前記第１絶縁層と並んで離隔配置される第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の他面に位置される第３絶縁層の一面に形成される温度感知部と、
前記第３絶縁層の他面に位置される第４絶縁層の一面に形成され、前記第１及び第２電極部を加熱するヒータ部と、を含み、
前記複数個の第１電極のいずれか一つは、第１電気接続端子に電気的に連結され、
前記複数個の第２電極は、第２電気接続端子に電気的に連結され、
複数個の前記第１電極と複数個の前記第２電極は、互いに対応されるよう配置され、前記第１電極間に溜まる粒子状物質により、前記第１電極が電気的に連結され、前記複数個の第１電極と前記複数個の第２電極との間の静電容量が変化される粒子状物質センサ。
前記複数個の第１電極及び前記複数個の第２電極は、それぞれ前記第１及び第２絶縁層の長手方向に並んで配列され、
前記複数個の第１電極及び前記複数個の第２電極の配列は、前記第１及び第２絶縁層の幅方向に互いに対応されるように配列される請求項１に記載の粒子状物質センサ。
前記第１電極間に粒子状物質が順次に堆積されることで、前記第１電極が電気的に連結され、前記第１電極の面積が広くなるにつれて前記第１電極と前記第２電極と間の静電容量が増大される請求項１に記載の粒子状物質センサ。
前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に位置される誘電層を、更に含む請求項１に記載の粒子状物質センサ。
前記第１絶縁層及び前記誘電層には、前記複数個の第２電極を第２電気接続端子に電気的に連結するための第１ビアホールが形成される請求項４に記載の粒子状物質センサ。
前記第４絶縁層には、前記ヒータ部に電気的に連結される第３電気接続端子及び第４電気接続端子、そして前記第３及び第４電気接続端子と電気的に連結されない第５電気接続端子が形成され、
第３絶縁層には、前記温度感知部を前記第４絶縁層上の前記第３電気接続端子及び前記第５電気接続端子と電気的に連結するための第２ビアホールが形成される請求項５に記載の粒子状物質センサ。
前記温度感知部の面積は、前記ヒータ部の面積範囲内に設定される請求項１に記載の粒子状物質センサ。
排気マニホールドと、
前記排気マニホールドから排出される排気ガス内に含まれる微粒子を除去する排気ガス微粒子フィルタと、
前記排気ガス微粒子フィルタに連結される流出側排気管に設けられ、前記排気ガス微粒子フィルタを通過して下流側に抜け出る粒子状物質を検出する粒子状物質センサと、を含み、
前記粒子状物質センサは、
互いに電気的に連結されない複数個の第１電極を含む第１電極部が、一面上に露出するように形成された第１絶縁層と、
電気的に連結された複数個の第２電極を含む第２電極部を一面上に備え、前記第１絶縁層と並んで離隔配置される第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の他面上に位置される第３絶縁層上に形成される温度感知部と、
前記第３絶縁層の他面上に位置される第４絶縁層上に形成される前記第１及び第２電極部を加熱するヒータ部と、含み、
前記複数個の第１電極のいずれか一つは、第１電気接続端子に電気的に連結され、
前記複数個の第２電極は第２電気接続端子に電気的に連結され、
複数個の前記第１電極と複数個の前記第２電極は、互いに対応されるように配置され、前記第１電極間に溜まる粒子状物質により、前記第１電極が電気的に連結され、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量が変化され、前記変化される静電容量を測定することによって、前記粒子状物質を検出する排気ガス浄化システム。