CN101680323A - 微粒物的捕集量检测方法及其捕集量检测装置和排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微粒物的捕集量检测方法和捕集量检测装置及排气净化装置。该捕集量检测装置包含：捕集PM的过滤器(2)、向过滤器(2)照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的电磁波发射器(30)、检测透过了过滤器(2)的电磁波的强度的微波接收器(31)、和用微波接收器(31)检测出的强度运算PM的捕集量的运算单元。由此可高精度地检测局部的PM捕集量的浓淡分布，因此，可以在捕集量没有变得过多的状态下进行再生处理，可以使在再生处理时向排气中供给的还原剂供给量为最小限。

Description

微粒物的捕集量检测方法及其捕集量检测装置和排气净化装置
技术领域
本发明涉及微粒物(颗粒物质，particulate matter)的捕集量检测方法和捕集量检测装置。本发明可以应用于检测配置在柴油发动机的排气系统的过滤器的PM(微粒物)堆积量的情况等。
背景技术
对于汽油发动机来说，由于排气的严格限制和应对该限制的技术的进步，排气中的有害成分正可靠地被减少。但是，对来柴油发动机来说，由于有害成分作为PM(主要是由碳微粒子构成的烟灰、高分子量烃微粒子、硫酸酯(sulfate)等硫系微粒子等)被排出这样的特别情况，所以，与汽油发动机相比排气净化困难。
作为到目前为止所开发的柴油发动机用排气净化装置大致分为捕集式排气净化装置(壁流式，wall-flow)和开放式排气净化装置(直流式，straight-flow)已为公众所知。其中作为捕集式的排气净化装置，陶瓷制的封孔型(plugged-type)的蜂窝体(柴油机PM过滤器(以下称之为DPF))已为公众所知。该DPF：为例如对陶瓷蜂窝结构体的孔(cell，通道)的开口部的两端交替地以格子状堵塞而成，由在排气下游侧堵塞孔眼的流入侧孔、与流入侧孔相邻而在排气上游侧堵塞孔眼的流出侧孔、和分隔流入侧孔和流出侧孔的隔壁构成，并且由单元隔壁的细孔对排气进行过滤、捕集PM，由此抑制PM的排出。
但是，在DPF中，由于PM的堆积而使排气的压力损失上升，因此，必需用某种方法定期除去堆积了的PM来使DPF再生。因此，以往，通过如下方法等进行使堆积了的PM燃烧而对DPF进行强制再生：向排气中添加燃料之类的还原剂，由配置在DPF的上游侧的氧化催化剂使其燃烧，由此，使排气升温，向DPF供给该高温的排气的方法。
但是，在怠速运转时或低负荷、低速度运转等的低排气温度状态持续进行的情况下，氧化催化剂等不会活性化，因此，不会产生氧化反应，排气温度的升温变得困难。因此，使DPF再生变得困难，DPF的孔眼会发生堵塞。
因此可考虑：在判定为PM的捕集量超过规定(预定)值时，强制性地使排气温度上升。预先将例如与运转(运行)情况相对应的PM排出量的数据作为映射数据存储在ECU，由运转时间的累计值推定PM排出量，累积运算该PM排出量以推定PM捕集量。于是，有了如下方法：在判定为PM捕集量超过规定量的时刻，强制性地使排气温度上升，使DPF再生。
然而，将与运转情况相对应的PM排出量的数据作为映射数据的情况下，存在误差大这样的问题。另外，也可以使用DPF前后的压差作为PM的捕集量的指标来进行。但是，在该方法中，作为判定基准的临界压差的值随着发动机的运转情况大幅变化，因此，需要预先将与各运转条件相对应的临界压差的数据作为映射数据进行存储，数据量变得庞大。而且，由于PM捕集量和压差的关系不是直线关系，因此存在在PM捕集量少的范围中检测灵敏度低的问题。
因此，在日本特开2005-325771号公报中记载了如下方法：检测使在卷绕在捕集容器的外周的初级线圈(一次绕组，primary coil)中流动交流电流时在卷绕在捕集容器的外周的次级线圈(secondary coil)中产生的电流或电压，根据该值运算出PM捕集量。在次级线圈中产生与PM捕集量对应的感应电动势，因此，通过检测在次级线圈中产生的电流或电压可以运算出PM捕集量。
然而，DPF一般由堇青石之类的陶瓷形成，以收纳在金属制的外壳内的状态来使用。在对这样的DPF适用日本特开2005-325771号公报中记载的技术的情况下，电磁波被外壳屏蔽，因此不能在外壳的外周卷绕一次线圈和次级线圈。因此，线圈必须在外壳内卷绕在DPF的周围。
然而，排气在外壳内流通，在DPF的强制再生时变为1000℃左右的高温。另外，再加上在强制再生时存在氧化性气氛，线圈会提前劣化。因此，在推定DPF的PM捕集量的情况下使用上述公报中记载的技术是不实用的。
另外，在日本特开平10-220219号公报中提出了：用微波传感器测定电磁波强度来检测PM量的排气净化装置。在该技术中，利用了下述情况，固定微波检测位置，测定该处的微波强度，由该微波强度的变化来检测PM附着量；上述情况是指：若PM附着在过滤器则过滤器的介电常数、介电损耗变化，过滤器内的微波的相位偏移，微波强度变化。
但是，过滤器的介电常数、介电损耗由于受到温度的影响而必须进行温度修正，另外，不是进行直接的相位差测定而是利用驻波用微波传感器检测电磁场强度，因此，存在如下问题：用1点测定难以分离微波的衰减的影响从而不能进行高精度检测。因此，需要：在多处进行测量以综合评价、或者使用映射数据进行麻烦的评价。
而且，作为微波通常使用的2.45GHz的微波其波长为12cm左右，分辨能力低，因此，不能检测该波长以下的局部的PM捕集量的浓淡分布。因此，不能防止：因局部的PM的堆积在过滤器的再生控制时因过热而产生局部高温所产生的过滤器的熔损。
专利文献1：日本特开2005-325771号公报
专利文献2：日本特开平10-220219号公报
发明内容
本发明是鉴于上述情况做成的，以可容易且高精度地检测PM等吸收电磁波的微粒物的捕集量作为其应解决的课题。
为了解决上述课题的本发明的微粒物的捕集量检测方法的特征在于，是在含有微粒物的气体所流通的流路中配置捕集容器、推定由捕集容器捕集的微粒物的捕集量的捕集量推定方法，含有：从捕集容器的外部向捕集容器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的照射工序、和检测透过了捕集容器的该电磁波的强度、将该强度代入预先确定的强度和捕集量的关系式而运算该微粒物的捕集量的检测工序。
另外，本发明的微粒物的捕集量检测装置的特征在于，含有：配置在含有微粒物的气体所流通的流路中的捕集容器、从捕集容器的外部向捕集容器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的电磁波照射单元、检测透过了捕集容器的电磁波的强度的电磁波接收单元、和用由电磁波接收单元检测出的强度运算微粒物的捕集量的运算单元。
另外，本发明的排气净化装置的特征在于，含有：配置在排气流路且捕集以碳为主的PM的过滤器、收纳过滤器的收纳容器、从形成在收纳容器的入射窗向过滤器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的电磁波照射单元、检测透过了过滤器从形成在收纳容器的放射窗放射出的电磁波的强度的电磁波接收单元、和用由电磁波接收单元检测出的强度运算PM的捕集量的运算单元。
在本发明的排气净化装置中，优选是：运算单元根据由电磁波接收单元检测出的检测值运算出捕集了PM的过滤器的电磁波的吸收系数，由其相对于预先测定的在没有捕集PM的仅过滤器情况下的电磁波的吸收系数的比来运算PM的捕集量。另外，优选是还具有在过滤器的上游侧向排气中供给还原剂的还原剂供给单元；优选是还具有：推定由过滤器捕集的PM的捕集量的推定单元、和基于由推定单元推定的PM的捕集量来控制还原剂供给单元的驱动的控制单元。
根据本发明的微粒物的捕集量检测方法和捕集量检测装置，使用频率为数十GHz～数THz(波长为mm级别)的电磁波，利用微粒物对电磁波的吸收来检测捕集量，因此，即使用1点测定也可进行高精度的检测。
而且，根据本发明的排气净化装置，可以高精度地检测局部的PM捕集量的浓淡分布，在捕集量没有变得过多的状态下进行再生处理，由此，可以防止由于热失控(thermorunaway)所产生的过滤器的熔损。另外，可使在再生处理时的向排气中供给的还原剂供给量为最小值，因此，还可提高燃料经济性。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例所涉及的排气净化装置的框图。
图2是本发明的一实施例所涉及的排气净化装置的要部放大剖视图。
图3是表示PM捕集量和透过率的关系的曲线图。
图4是表示PM捕集量和PM比(PM ratio)的关系的曲线图。
附图标记说明：
1：发动机；2：过滤器；4：ECU；14：喷射喷嘴；20：转换器(converter)；21入射窗；22：放射窗；23：压差传感器；24：温度传感器；30：微波发射器；31：微波接收器。
具体实施方式
本发明的捕集量检测装置含有：捕集容器、向捕集容器照射电磁波的电磁波照射单元、检测透过了捕集容器的电磁波的强度的电磁波接收单元、用由电磁波接收单元检测出的强度运算微粒物的捕集量的运算单元。
本发明中所提到的微粒物吸收频率为数十GHz～数THz的毫米波级别的微波并将其能量最终转换为热能的物质即可，并不特别限定，可例示：以碳为主的PM、铁氧体粉(ferrite flour)之类的磁性体粉末等。
另外，在本发明中，采用频率为数十(几十)GHz～数THz的毫米波级别的微波。若频率比该范围低，则变得容易透过所捕集的微粒物，捕集量的检测精度降低。另外，若频率变为高于该范围，则难以透过所捕集的微粒物，检测精度依然会降低。特别优选是使用600GHz附近的频率。
捕集容器为配置在含有微粒物的气体所流通的流路中的部件，可以使用各种过滤器。该捕集容器使用透过频率为数十GHz～数THz的毫米波级别的微波的类型。吸收微波的一部分也没关系。在排气净化装置的情况下，典型地是使用堇青石、氮化硅、氧化铝等的陶瓷制的过滤器。
电磁波照射单元为从捕集容器的外部向捕集容器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的单元，可以使用磁控管等。优选是直接向捕集容器照射电磁波，但是，在排气净化过滤器等被收纳在金属制的收纳容器的捕集容器的情况下，通过形成在收纳容器、可透过数十GHz～数THz的电磁波的入射窗照射电磁波。作为该入射窗的材料(材质)可以使用堇青石、氮化硅、氧化铝之类的陶瓷、玻璃等。
电磁波接收单元是检测透过了捕集容器的电磁波的强度的装置，可以使用微波传感器等公知的元件。优选是：将电磁波接收单元相对于捕集容器配置在与电磁波照射单元相反的一侧、以靠近捕集容器的方式进行配置。但是，在排气净化装置的情况下，有可能因热而使电磁波接收单元劣化，因此，以通过形成在收纳容器、可透过数十GHz～数THz的电磁波的放射窗来接收信号的方式构成。该放射窗与入射窗相同可以由具有耐热性的材料形成。
电磁波照射单元和电磁波接收单元以相对于捕集容器位于彼此相反一侧的方式进行配置。例如，在蜂窝式过滤器等圆柱形状的捕集容器的情况下，可以分别配置在其直径方向的两侧。或者在排气流入侧和排气流出侧，优选是以分别位于包含轴的平面上的彼此相反侧的方式进行配置。通过这种方式，可以检测在排气流动方向的整个长度上的PM捕集量。
运算单元用由电磁波接收单元检测出的电磁波强度运算微粒物的捕集量。即，将由电磁波接收单元检测出的电磁波强度代入预先确定的强度与捕集量的关系式而运算微粒物的捕集量。
往往捕集容器自身以某种程度吸收频率为数十GHz～数THz的电磁波，因此，首先，作为空白(blank，空白表格)预先测定没有捕集微粒物的状态下的仅捕集容器的情况下的接收信号强度。通过这种方式，可以由在捕集了微粒物的状态下的接收信号强度与其之差运算出微粒物的捕集量。
在排气净化装置的情况下，优选是：运算单元用由电磁波接收单元检测出的检测值运算出捕集了PM的过滤器的电磁波的吸收系数，用其相对于预先测定的没有捕集PM的仅过滤器的电磁波的吸收系数的比运算PM的捕集量。通过以电磁波的吸收系数为指标，可不受温度等各种因子的影响，PM捕集量与吸收系数的关系变为一次式，因此，可容易且高精度地进行PM捕集量的运算。另外，吸收系数用透过率的对数表示，透过率是指放射输出相对于入射输出的比例。
在排气净化装置中，若由过滤器捕集的PM的捕集量变多，则压力损失上升，对发动机性能产生不良影响。因此，需要采取更换过滤器或对过滤器进行加热而进行使捕集的PM燃烧的再生处理之类的对策。更换过滤器不实用，因此，一般进行再生处理。
因此，在本发明的排气净化装置中优选是还具有在过滤器的上游侧向排气中供给还原剂的还原剂供给单元。既可以是向排气中直接供给还原剂的单元，也可以是通过向气缸内后喷射(post injecting)还原剂来间接向排气中供给还原剂的单元。若过滤器的温度变为比还原剂的点火温度高，还原剂在过滤器中燃烧，由该燃烧热使过滤器变为例如600℃以上的高温，由此，可使PM燃烧从而使过滤器再生。作为该还原剂供给单元有泵、喷射器等。
另外，优选是：在过滤器的上游侧配置氧化催化剂，或在过滤器形成催化剂层。通过这种方式，即使过滤器的温度为低温，也可由催化剂使还原剂氧化燃烧、并可由其燃烧热使过滤器再生。
在使用了还原剂供给单元的情况下，优选是设置有：推定由过滤器捕集的PM的捕集量的推定单元、和基于由推定单元推定的PM的捕集量控制还原剂供给单元的驱动的控制单元。由此，可在最佳时刻(timing)驱动还原剂供给单元，因此，燃料经济性提高。推定单元可以根据过滤器的上游侧和下游侧的压差、发动机的驱动时间、行驶条件的记录等推定由过滤器捕集的PM捕集量。
在再生处理时，优选是，推定单元基于检测过滤器的上游侧和下游侧的压差的压差检测单元和检测过滤器的温度的温度传感器的至少一方的检测值，来推定残存在过滤器内的PM量。基于压差检测单元的检测值推定残存的PM量时，可防止进行无益的再生处理，进一步提高燃料经济性。另外，若基于温度传感器的检测值推定残存的PM量，则可抑制过滤器温度变得过高、防止熔损。
另外，水也为电磁波吸收体，过滤器内的水分量对检测值产生影响，因此，优选是：也考虑到使用水分传感器等检测出的水分量来推定由过滤器捕集的PM捕集量。
实施例
以下，用实施例对本发明进行具体说明。
图1中示出了本实施例的排气净化装置。在柴油发动机1的排气歧管10连接有收纳了圆筒形的过滤器2的钢制的转换器20。来自排气歧管10的排气的大部分在转换器20内流动，通过过滤器2之后被排出，排气的一部分、通过涡轮增压器11(turbocharger)和中间冷却器12(intercooler)返回柴油发动机1的进气歧管13。另外，在排气歧管10配置喷射喷嘴14，由此，构成为可向排气中间歇性地喷射轻油。
过滤器2为具有在排气下游侧堵塞孔眼的流入侧孔(cell)、与流入侧孔相邻的在排气上游侧堵塞孔眼的流出侧孔、和分隔流入侧孔和流出侧孔且具有很多细孔的多孔质的单元隔壁的蜂窝形状的壁流式结构，由堇青石形成。
对于转换器20、在其大致中央部外侧设置有微波发射器30和微波接收器31。微波发射器30和微波接收器31分别配置在包含过滤器2的中心轴的平面上的夹着过滤器2的两侧。微波发射器30由ECU4驱动控制，由微波接收器31接收的信号被输入ECU4。在与微波发射器30和微波接收器31相对向的转换器20的表面，如图2和图3所示形成有由氧化铝构成的可透过微波的入射窗21和放射窗22。
另外，对转换器20配置检测在过滤器2的上游侧和下游侧中的排气压力差的压差传感器23，压差传感器23的输出信号被输入ECU4。而且，对转换器2设置有在过滤器2的下游侧检测排气温度的温度传感器24。
在该排气净化装置中，首先，使用新的过滤器2，不驱动发动机1、由微波发射器30以输入强度Ii发射600GHz的毫米波，测定由微波接收器31接收的输出强度Io。所发射的毫米波的能量被入射窗21、过滤器2、放射窗22以某种程度吸收，变成Ii＞Io，透过率用Io/Ii表示。
而且，用数学公式1运算出仅过滤器2的情况下的吸收系数αr(基准)(reference)。
(数学公式1)
Figure G2008800195854D00091
接着，预先准备多个以各种捕集量捕集了PM的过滤器2，并将它们分别收纳在转换器20内。而且，不驱动发动机1，由微波发射器30以输入强度Ii发射600GHz的毫米波，测定用微波接收器31接收的输出强度Io。
在图3中示出了在各过滤器2中的PM捕集量和透过率(Io/Ii)的关系。如由图3可知的那样，PM捕集量和透过率的关系不是一次式(linearexpression，线性形式)。因此，要用透过率推定PM捕集量需要进行复杂的运算。
因此，用数学公式1运算出使用捕集了PM的过滤器2的情况下的吸收系数αw(带有PM)。而且，使用数学公式2运算出作为其相对于在仅过滤器2的情况下的吸收系数αr(基准)的比的PM比，图4中示出了PM捕集量与PM比的关系。
(数学公式2)
Figure G2008800195854D00092
由图4可明确：PM捕集量和PM比的关系变为一次式，通过测定PM比可以容易且高精度地检测PM捕集量。
因此，在本实施例中，在驱动发动机1的状态下总是驱动微波发射器30，ECU4总是观测PM比。而且，由图4的关系式运算出PM捕集量，在PM捕集量超过作为不会过多的状态而设定的规定值(预定值)的情况下，ECU4驱动喷射喷嘴14以向排气中供给规定量的轻油。此时，优选是微波发射器30停止驱动，但也可继续驱动。
向排气中供给的轻油流入过滤器2，由过滤器2的热而点火燃烧。由其燃烧热使过滤器2升温到大约600℃以上，所捕集的PM进行燃烧。此时ECU4总是观测压差传感器23的输出信号和温度传感器24的输出信号。而且，继续添加轻油直到过滤器2的上游侧和下游侧的压差变为规定值以下。但是，万一从过滤器2排出的排气温度超过了规定值的情况下，ECU4停止喷射喷嘴14的驱动以防止过滤器2熔损。
即、通过以PM比作为指标，使PM比和PM捕集量的关系变为一次式，因此，可以通过测定PM比而容易且高精度地检测PM捕集量。另外，通过使用毫米波级别的微波，可高精度地检测局部的PM捕集量的浓淡分布。因此，可以可靠地在PM捕集量未变得过多的状态下进行过滤器的再生处理，因此，可将由热失控所引起的熔损防范于未然。而且，还可以使喷射喷嘴14的驱动设为最小限度，提高燃料经济性。

Claims (7)

1.一种微粒物的捕集量检测方法，是在含有微粒物的气体所流通的流路中配置捕集容器，并推定由该捕集容器捕集的该微粒物的捕集量的捕集量推定方法，其特征在于，包括：
从该捕集容器的外部向该捕集容器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的照射工序；和
检测透过了该捕集容器的该电磁波的强度，并将该强度代入预先确定的强度与捕集量的关系式来运算该微粒物的捕集量的检测工序。
2.一种微粒物的捕集量检测装置，其特征在于，含有：
配置在含有微粒物的气体所流通的流路中的捕集容器；
从该捕集容器的外部向该捕集容器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的电磁波照射单元；
检测透过了该捕集容器的该电磁波的强度的电磁波接收单元；和
用由该电磁波接收单元检测出的该强度来运算该微粒物的捕集量的运算单元。
3.一种排气净化装置，其特征在于，含有：
配置在排气流路且捕集以碳为主的微粒物的过滤器；
收纳该过滤器的收纳容器；
从形成于该收纳容器的入射窗向该过滤器照射频率为数十GHz～数THz的电磁波的电磁波照射单元；
检测透过了该过滤器而从形成于该收纳容器的放射窗放射出的该电磁波的强度的电磁波接收单元；和
用由该电磁波接收单元检测出的该强度来运算微粒物的捕集量的运算单元。
4.根据权利要求3所述的排气净化装置，其中，上述运算单元用由上述电磁波接收单元检测出的检测值来算出在捕集了微粒物的上述过滤器中的上述电磁波的吸收系数，用该算出的吸收系数相对于预先测定的仅在没有捕集微粒物的过滤器中的上述电磁波的吸收系数的比来运算微粒物的捕集量。
5.根据权利要求3或4所述的排气净化装置，其中，还具有在上述过滤器的上游侧向排气中供给还原剂的还原剂供给单元。
6.根据权利要求5所述的排气净化装置，其中，还具有：
推定由上述过滤器捕集到的上述微粒物的捕集量的推定单元；和
基于由该推定单元推定的上述微粒物的捕集量来控制上述还原剂供给单元的驱动的控制单元。
7.根据权利要求6所述的排气净化装置，其中，上述推定单元基于检测上述过滤器的上游侧和下游侧的压力差的压差检测单元和检测上述过滤器的温度的温度传感器的至少一方的检测值推定微粒物的捕集量。
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