传感器的制作方法

本发明涉及对排气气体中含有的颗粒状物质(以下，称为pm)的量进行检测的传感器。

背景技术：

已知对从内燃机排出的排气气体中含有的pm的量进行检测的传感器。在该传感器中存在如下传感器：将传感器电极部配置在排气管内，基于因pm附着在传感器电极部上从而产生的静电电容的变化量来检测pm(例如参照专利文献1)。

在该传感器中，利用若因排气中含有的水分的凝集而产生的凝集水附着于传感器电极部则静电电容会出现峰状的变化的现象，来进行传感器的故障判定。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2010-275917号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

从保护各种传感器类的观点等出发，希望对凝集水可靠地进行检测。此外，对于内燃机的排气系统，有时水会从外部浸入，根据同样的理由，希望对从外部浸入的水也可靠地进行检测。但是，上述的传感器对传感器自身的故障会进行判定，并未特别考虑对如凝集水或从外部浸入的水那样在内燃机的排气系统中存在的水进行检测。

本公开的传感器的目的在于对内燃机的排气系统中存在的水进行检测。用于解决课题的手段

本公开的传感器包括：传感器部，其被配置在内燃机的排气系统中，并包含具有由多孔质性分隔壁划分并对排气气体中的颗粒状物质进行捕集的多个单元的过滤器构件、以及夹着单元被对置配置而形成电容器的至少一对电极构件；以及控制部，其基于上述一对电极构件间的静电电容来推定上述排气气体中的颗粒状物质的量，并且，检测在上述内燃机的排气系统中存在的水。

此外，本公开的传感器包括：传感器部，其被配置在内燃机的排气系统中，并包含具有由多孔质性分隔壁划分并对排气气体中的颗粒状物质进行捕集的多个单元的过滤器构件、以及夹着单元被对置配置而形成电容器的至少一对电极构件，以及控制单元；其中，上述控制单元进行动作，以便执行以下的处理：推定处理，基于上述一对电极构件间的静电电容来推定上述排气气体中的颗粒状物质的量，以及检测处理，基于上述一对电极构件间的静电电容来检测在上述内燃机的排气系统中存在的水。

发明效果

根基本公开的传感器，能够检测在内燃机的排气系统中存在的水。

附图说明

图1是表示应用了第一实施方式的pm传感器的排气系统的一个例子的概略结构图。

图2是表示第一实施方式的pm传感器的示意性的局部剖视图。

图3a是说明pm的捕集的局部放大剖视图。

图3b是说明浸水状态的局部放大剖视图。

图4a是说明pm量的增加所导致的pm传感器的静电电容变化量的经时变化的图。

图4b是说明浸水所导致的pm传感器的静电电容变化量的经时变化的图。

图4c是说明在pm的捕集中发生了浸水的情况下的静电电容的经时变化的图。

图5是表示第二实施方式的pm传感器的示意性的局部剖视图。

图6a是第三实施方式的各传感器部的示意性的立体图。

图6b是第三实施方式的各传感器部的示意性的分解立体图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的各实施方式的传感器。对于相同的零件标注相同的附图标记，它们的名称及功能也相同。因而，不重复对于它们的详细的说明。

[第一实施方式]

图1是表示应用了第1实施方式的pm传感器10a的柴油引擎(以下，简称为引擎)100的排气系统的一个例子的概略结构图。在引擎100的排气管110内，从排气上游侧起依次设置有氧化催化剂210、柴油颗粒过滤器(dpf，以下也简称为过滤器)220、nox净化催化剂230、nox/λ传感器240等。

氧化催化剂210若被供给未燃燃料(烃(hc))，则将该未燃燃料氧化而使排气温度上升。过滤器220是通过将由多孔质性的分隔壁划分的多个单元沿着排气的流动方向配置，并对这些单元的上游侧和下游侧交替地进行孔封闭从而形成的。过滤器220在分隔壁的细孔或表面捕集排气中的pm，并且，若pm堆积推定量达到预定量，则被执行将该pm燃烧除去的所谓的过滤器强制再生。过滤器强制再生例如是通过向上游侧的氧化催化剂210供给未燃燃料并将流入到过滤器220中的排气温度升温到pm燃烧温度从而进行的。nox净化催化剂230对排气中的nox进行还原净化，nox/λ传感器240检测排气中的nox浓度或空气过剩率。本实施方式的pm传感器10a例如被设置在比dpf220靠下游侧且比nox净化催化剂230靠上游侧的排气管110上，但是，也可以被设置在比nox净化催化剂230靠下游侧的排气管110上。

接下来，基于图2说明第一实施方式的pm传感器10a的详细构成。pm传感器10a包括：外壳构件11，其被插入在排气管110内；底座部20，其将外壳构件11安装在排气管110上；传感器部30，其被收容在外壳构件11内；以及控制单元40。

外壳构件11被形成为将底部侧(在图示例中是下端侧)封闭的有底圆筒状。外壳构件11的筒轴向的长度l被以与排气管110的半径r大致相同的长度形成，使得其底部侧的筒壁部突出到排气管110的轴中心cl附近。另外，在以下的说明中，将外壳构件11的底部侧作为顶端侧，将底部侧的相反侧作为外壳构件11的基端侧。

在外壳构件11的顶端侧筒壁部，设置有在周向隔开间隔地配置的多个导入口12。此外，在外壳构件11的基端侧筒壁部，设置有在周向隔开间隔地配置的多个导出口13。导入口12的总开口面积s12被形成得小于导出口13的总开口面积s13(s12＜s13)。即，由于导入口12附近的排气流速v12比导出口13附近的排气流速v13慢(v12＜v13)，从而导入口12侧的压力p12比导出口13侧的压力p13高(p12＞p13)。由此，从导入口12向外壳构件11内顺畅地引入排气气体，同时，从导出口13向排气管110内顺畅地导出外壳构件11内的排气气体。

底座部20包括外螺纹部21、以及螺母部22。外螺纹部21被设置在外壳构件11的基端部，将外壳构件11的基端侧开口部封闭。该外螺纹部21与被形成在排气管110上的凸台部110a的内螺纹部拧合。螺母部22例如是六角螺母，被固定在外螺纹部21的上端部。在这些外螺纹部21及螺母部22上形成有通孔(未图示)，该通孔使后述的导电线35、36等插过。

传感器部30包括过滤器构件31、多对电极构件32、33、以及电加热器34。

过滤器构件31例如是通过对构成由多孔质陶瓷的分隔壁划分的网格状的排气流路的多个单元的上游侧和下游侧交替地进行孔封闭而形成的。该过滤器构件31在使单元的流路方向与外壳构件11的轴向(图中上下方向)大致平行的状态下，经由缓冲构件cm被保持在外壳构件11的内周面上。

如在图3a中放大所示，从导入口12引入到外壳构件11内的排气气体中的pm310由于排气气体如以虚线的箭头所示从下游侧被孔封闭的单元c1流入到上游侧被孔封闭的单元c2，从而被分隔壁表面或细孔捕集。另外，在以下的说明中，将下游侧被孔封闭的单元称为测定用单元c1，将上游侧被孔封闭的单元称为电极用单元c2。

如图2所示，电极构件32、33例如是导电性的金属线，被从下游侧(非孔封闭侧)交替地插入到夹着测定用单元c1对置的电极用单元c2中，从而形成电容器。这些电极32、33经由导电线35、36分别与被内置在控制单元40中的未图示的静电电容检测电路连接。

电加热器34例如是电热线，通过通电而发热以将传感器过滤器31直接加热，从而执行将堆积在测定用单元c1内的pm燃烧除去的所谓的过滤器再生。因此，电加热器34被弯曲地形成为连续s字形，相互平行的直线部分被沿着流路插入在各测定用单元c1内。

控制单元40是本发明的控制部的一个例子，作为各功能要素，包括过滤器再生控制部41、pm量推定运算部42、浸水判定部43、以及传感器保护控制部44。这些功能要素视为被包含在一体的硬件即控制单元40中来进行说明，但是，也能够设置在相互独立的硬件中。

过滤器再生控制部41执行过滤器再生控制，在该过滤器再生控制中，基于由静电电容检测电路(未图示)检测的各电极构件32、33间的静电电容cp来判定过滤器再生条件是否成立，在过滤器再生条件成立的情况下，使电加热器34接通(通电)。电极构件32、33间的静电电容cp由以下的数学公式1表示，在该数学公式1中，电极构件32、33间的介质的介电常数设为ε，各电极构件32、33的表面积设为s，电极构件32、33间的距离设为d。

[数学公式1]

在数学公式1中，各电极构件32、33的表面积s是一定的，若介电常数ε及距离d根据被测定用单元c1捕集到的pm而变化，则静电电容cp也会随此而变化。即，在电极构件32、33间的静电电容cp与传感器过滤器31的pm堆积量之间，成立比例关系。

在图4a所示的例子中，电极构件32、33间的静电电容cp由于pm向测定用单元c1堆积而以每单位时间的变化量θ1(δcp/△t)上升。若静电电容cp达到表示pm上限堆积量的静电电容上限阈值cp＿max，则过滤器再生控制部41认为过滤器再生条件成立而开始将电加热器34接通的过滤器再生。该过滤器再生被持续，直至静电电容cp降低到表示pm完全除去的预定的静电电容下限阈值cp＿min为止。

pm量推定运算部42基于再生间隔期间(从过滤器再生结束到下一次过滤器再生开始)中的pm传感器10a的静电电容变化量δcp，来推定从过滤器220排出的排气气体中的总pm量mpm。在再生间隔期间由过滤器构件31捕集的pm量mpm可以用对pm传感器10a的静电电容变化量δcp乘以一次系数β的以下的数学公式2来得到。

[数学公式2]

mpm＝β·δcp…(2)

浸水判定部43基于pm传感器10a的静电电容cp的峰值或每单位时间的静电电容的变化量θ(δcp/△t)，来判定在排气系统的内部是否存在水。并且，在存在水的情况下，推定水的量。

若在排气系统的内部存在水，则如图3b所示，该水的一部分被过滤器构件31保持。详细而言，被过滤器构件31所具备的测定用单元c1或电极用单元c2保持。由于这些测定用单元c1或电极用单元c2是网格状的细长的空间，所以水320被向各单元c1、c2的内部顺畅地引入并被保持。

若水320被过滤器构件31保持，则pm传感器10a中的静电电容cp的峰值比pm的堆积时变得充分高，且达到峰值之前的静电电容的变化量θ比pm的堆积时变得陡峭(斜率大)。并且，被过滤器构件31保持的水320的量变得越多，静电电容cp的峰值变得越高，被过滤器构件31保持的水320的量变得越多，静电电容的每单位时间的变化量θ(δcp/△t)变得越陡峭。

如在图4b中以单点划线所示，若预定量的水320被过滤器构件31保持，则在静电电容cp达到峰值cpw＿pk1之前的期间(时刻t0－t1)中，静电电容cp以与pm堆积时的变化量θ1相比充分陡峭的变化量θ2上升。如在图4b中以虚线所示，若更多的水320被过滤器构件31保持，则静电电容cp以与变化量θ2相比更陡峭的变化量θ3上升到峰值cpw＿pk2。而且，在任何一种状况下，若排气的流通等导致水320从过滤器构件31蒸发，则静电电容cp降低到cp＿min(时刻t3－t4)。

因而，在满足静电电容的峰值cpw＿pk为预定的上限阈值以上的情况、及静电电容cp的变化量θ为预定的上限阈值以上的情况中的至少一个判定条件时，浸水判定部43判定为在排气系统的内部存在水320。此外，浸水判定部43基于静电电容的峰值cpw＿pk的值来判定存在的水的量。水的量的判定例如能够通过使用判定用的映射来进行。该映射能够通过使被过滤器构件31保持的水的量变化并测定对应的静电电容的峰值cpw＿pk从而制作。

图4c表示在pm的捕集中水从外部浸入的情况下的例子。如图4c所示，在从时刻t0到时刻t1的期间中，静电电容cp以与pm堆积量相应的变化量θ1上升。然后，在时刻t1，静电电容从cp＿bs急剧地上升到cp＿pk，在时刻t2返回到cp＿bs，因此，浸水判定部43判定为，在从时刻t1到时刻t2的期间中视为满足了预定的判定条件而水320从外部浸入到排气系统中。

在由浸水判定部43判定为在排气系统中存在水的情况下，传感器保护控制部44禁止向各种传感器通电以保护传感器。在本实施方式中，禁止向nox/λ传感器240所具有的加热器(未图示)通电，保护nox/λ传感器240。

这样，浸水判定部43能够基于电极构件32、33间的静电电容cp的每单位时间的变化量θ(△cp/△t)或峰值cp＿pk，来检测在引擎100的排气系统中存在的水(凝集水或浸入水)。这样，由于基于电极构件32、33间的静电电容cp来检测水，所以能够检测在排气系统中存在的水。此外，水的检测是用对pm的量进行检测的pm传感器10a来进行的。即，将pm传感器10a用于检测pm和检测在排气系统中存在的水这两者。因此，不需要另行设置专用的传感器，能实现结构的简化。

此外，由于在浸水判定部43判定为在排气系统中存在水的期间中，传感器保护控制部44禁止向各种传感器通电，所以，能够保护各种传感器。

[第二实施方式]

接下来，基于图5说明第二实施方式的pm传感器10b的细节。第二实施方式的pm传感器10b是在第一实施方式的pm传感器10a中将外壳构件设为双重管构造而成的传感器。关于其他构成要素，由于是同一构造，所以省略详细的说明。此外，对于控制单元40等一部分的构成要素，省略了图示。

第二实施方式的外壳构件包括：有底圆筒状的内侧壳部11a；以及将内侧壳部11a的圆筒外周面包围的圆筒状的外侧壳部15。

内侧壳部11a将其轴向长度形成得比外侧壳部15长，使得顶端侧比外侧壳部15突出。此外，在内侧壳部11a的底部，设置有将内侧壳部15内的排气气体向排气管110内导出的导出口13。并且，在内侧壳部11a的基端侧的筒壁部，设置有在周向上隔开间隔地配置的多个通过口14。该通过口14使由内侧壳部11a的外周面和外侧壳部15的内周面划定的流路16内的排气气体通过内侧壳部11a内。

在流路16的下游端，形成有由内侧壳部11a的顶端侧筒壁部和外侧壳部15的顶端部划定的圆环状的导入口12。导入口12的开口面积s12被形成得比导出口13的开口面积s13小(s12＜s13)。

即，流过排气管110的排气气体碰撞到比外侧壳部15向顶端侧突出的内侧壳部11a的筒壁面，被从在排气管110的轴中心cl附近配置的导入口12顺畅地引入到流路16内。进一步，流过流路16内的排气气体被从通过口14引入到内侧壳部11中，在通过了过滤器构件31后，被从在排气管110的轴中心cl附近配置的导出口13顺畅地导出到排气管110内。这样，在第二实施方式的pm传感器10b中，通过将导入口12和导出口13在排气管110内配置在排气流速最快的轴中心cl附近，从而能够有效地提高通过传感器过滤器31的排气流量。

[第三实施方式]

接下来，基于图6说明第三实施方式的pm传感器的细节。第三实施方式的pm传感器是将第一实施方式的传感器部30设成层叠类型的结构。关于其他构成要素，由于是同一构造，所以省略详细的说明及图示。

图6a表示第三实施方式的传感器部60的立体图，图6b表示传感器部60的分解立体图。传感器部60包括多个过滤器层61、以及多张电极板62、63。

过滤器层61例如被形成为将由多孔质陶瓷等的分隔壁划分并构成排气流路的多个单元的上游侧和下游侧交替地进行孔封闭，并将这些单元在一个方向并列地配置而成的长方体状。由于如图6b中以虚线箭头所示，排气气体从下游侧被孔封闭的单元c11流入到上游侧被孔封闭的单元c12，从而排气气体中含有的pm被单元c11的分隔壁表面或细孔捕集。另外，在以下的说明中，将单元流路方向设为传感器部60的长度方向(图6a中的箭头l)，将与单元流路方向正交的方向设为传感器部60的宽度方向(图6a中的箭头w)。

一对电极板62、63例如是平板状的导电性构件，其长度方向l及宽度方向w的外形尺寸被形成为与过滤器层61大致相同。这些一对电极板62、63夹着过滤器层61被交替地层叠，并且，经由导电线64、65分别与被内置于控制单元40中的未图示的静电电容检测电路连接。

即，通过将一对电极板62、63对置配置，并在这些电极板62、63间夹持过滤器层61，从而单元c11整体形成电容器。这样，在第三实施方式的pm传感器中，通过平板状的电极板62、63而使单元c11整体成为电容器，从而能够有效地确保电极表面积s，能够提高可检测的静电电容绝对值。此外，由于电极间距离d为单元间距且被均匀化，从而能够有效地抑制初期静电电容的偏差。

另外，在将堆积在单元c11中的pm燃烧除去的情况下，直接在电极板62、63上施加电压，或者，在过滤器层61与电极板62、63之间夹设未图示的加热器基板等即可。

[其他]

本发明不限定于上述的各实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内适当变形而实施。

本申请基于在2015年02月20日申请的日本国专利申请(特愿2015-031525)，将其内容作为参照援引于此。

工业实用性

本发明的传感器具有能够检测在内燃机的排气系统中存在的水这种效果，在能保护传感器这一点是有用的。

附图标记说明

10a、10bpm传感器

11外壳构件

12导入口

13导出口

20底座部

21外螺纹部

22螺母部

30传感器部

31过滤器构件

32、33电极构件

34电加热器

40控制单元

41过滤器再生控制部

42pm量推定运算部

43浸水判定部

44传感器保护控制部