CN105283640A - 排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及排气净化装置，有效地检测DPF所捕获到的灰的堆积量。具备：对排气中的PM进行捕获的DPF(16)；能够执行强制再生的强制再生单元(13，25)；检测DPF(16)的静电电容的静电电容检测单元(17a、17b、21)；基于检测到的静电电容推测DPF(16)所捕获到的PM及灰的合计堆积量的合计堆积量推测部(22)；以及将强制再生结束时推测出的合计堆积量作为灰堆积量来运算的灰堆积量运算部(2)。

Description

排气净化装置
技术领域
本发明涉及排气净化装置。
背景技术
作为捕获从柴油发动机排出的废气中的颗粒状物质(ParticulateMatter，PM)的过滤器，例如已知有柴油微粒过滤器(DieselParticulateFilter，以下称作DPF)。
DPF的PM捕获量是有限度的，所以需要定期地将堆积的PM燃烧除去、即所谓的强制再生。通过排气管内喷射或后喷射来向排气上游侧的氧化催化剂供给未燃燃料(HC)，用通过氧化产生的热将废气的温度升温至PM燃烧温度，由此进行强制再生。
DPF堆积的PM中主要含有从发动机排出的煤烟(煤)成分等。此外，DPF上还堆积有发动机机油的成分等。其中，煤烟成分通过强制再生会被燃烧除去，但发动机油燃烧后成为灰(ash)。灰成分是不燃性，因此即使进行强制再生也无法除去。随着灰成分不断堆积，DPF的堵塞导致压力损失增加，因此需要进行定期地清扫所堆积的灰的维护。
已知根据在DPF的强制再生刚结束后检测到的DPF前后差压来推测这样的灰堆积量，由此预测DPF的维护时期的技术(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-270503号公报
发明内容
发明所要解决的技术课题
然而，通过强制再生而使堆积的PM燃烧进行时，特别是在强制再生的末期，会由于DPF前后差压的降低而使PM堆积量与DPF前后差压之间的相关性变差。因此，在基于DPF前后差压的推测手法中，无法正确地掌握强制再生的结束(完全再生)，存在无法分清楚灰成分对DPF前后差压有多大影响的课题。
此外，如图5所示，每次执行强制再生而灰堆积量增加，伴随与此，DPF前后差压也增加，因此PM堆积量相对于再生开始阈值的比重变少。结果，再生间隔A～D违背希望地变短，强制再生的次数增加，从而可能会导致油耗变差并且加速DPF的劣化。
本发明的目的在于，提供一种能够有效地检测DPF所捕获到的灰的堆积量的排气净化装置。
解决课题所采用的技术手段
为了实现上述的目的，本发明的排气净化装置的特征在于，具备：过滤器，设置于内燃机的排气通路，捕获排气中的颗粒状物质；过滤器再生单元，能够执行将所述过滤器中堆积的颗粒状物质燃烧除去的强制再生；静电电容检测单元，检测所述过滤器的静电电容；合计堆积量推测单元，基于由所述静电电容检测单元检测出的静电电容，推测所述过滤器捕获到的颗粒状物质及灰成分的合计堆积量；以及灰堆积量运算单元，将在所述过滤器再生单元进行的强制再生结束时由所述合计堆积量推测单元推测出的合计堆积量，作为灰堆积量来运算。
此外，也可以是，还具备颗粒状物质堆积量运算单元，该颗粒状物质堆积量运算单元从由所述合计堆积量推测单元推测出的合计堆积量，减去由所述灰堆积量运算单元运算出的灰堆积量，由此运算所述过滤器捕获到的颗粒状物质的堆积量。
此外，也可以是，所述过滤器再生单元当由所述PM堆积量运算单元运算出的颗粒状物质的堆积量达到所述过滤器可捕获的上限阈值时，执行强制再生。
此外，也可以是，还具备清扫请求判定单元，该清扫请求判定单元在由所述灰堆积量运算单元运算出的灰堆积量达到了给所述内燃机的允许排压带来影响的上限阈值时，判定为需要进行将所述过滤器中堆积的灰清扫的维护。
此外，也可以是，静电电容检测单元包含至少一对电极，该至少一对电极在所述过滤器内隔着至少一个以上间隔壁而对置地配置，形成电容器。
此外，也可以是，还具备：旁路通路，将比所述过滤器更靠排气上游侧及下游侧的所述排气通路连接，绕过所述过滤器；以及第二过滤器，设置于所述旁路通路，捕获在该旁路通路中流动的排气中的颗粒状物质；所述一对电极在所述第二过滤器内隔着至少一个以上间隔壁而对置地配置。
此外，也可以是，在执行所述第二过滤器的强制再生时，使所述一对电极作为加热器起作用。
发明效果
根据本发明的排气净化装置，能够有效地检测DPF所捕获到的灰的堆积量。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的排气净化装置的示意性整体结构图。
图2是表示本发明的一实施方式的排气净化装置的控制内容的流程图。
图3是表示本发明的一实施方式的排气净化装置的再生间隔的时序图。
图4是表示其他实施方式的排气净化装置的示意性整体结构图。
图5是表示以往的排气净化装置的再生间隔的时序图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的一实施方式的排气净化装置进行说明。对同一部件赋予同一附图标记，它们的名称及功能也相同。因此，不重复进行详细的说明。
如图1所示，柴油发动机(以下仅称作发动机)10中设置有吸气歧管10a和排气歧管10b。吸气歧管10a上连接有用于导入新气的吸气通路11，排气歧管10b上连接有用于将废气向大气排放的排气通路12。而且，排气通路12从排气上游侧起依次设置有排气管内喷射装置13、排气后处理装置14、DPF入口温度传感器31、DPF出口温度传感器32。
排气管内喷射装置13按照从ECU20输出的指示信号，向排气通路12内喷射未燃燃料(HC)。另外，在使用基于发动机10的多级喷射的后喷射的情况下，也可以省略该排气管内喷射装置13。
排气后处理装置14在外壳14a内从排气上游侧起依次配置氧化催化剂15、DPF16而构成。
氧化催化剂15例如是在堇青石蜂窝(cordieriteHoneycomb)构造体等的陶瓷制载体表面上担载催化剂成分而形成的。通过排气管内喷射装置13或者后喷射而供给未燃燃料(HC)后，氧化催化剂15使该未燃燃料(HC)氧化而使废气的温度上升。
DPF16例如是沿着废气的流动方向配置由多孔质陶瓷的间隔壁划分出的多个单元格、并将这些单元格的上游侧和下游侧交替地封闭而形成的。DPF16将废气中的以煤烟成分为主的PM捕获到间隔壁的细孔或表面，并且在PM堆积量达到规定量时执行将其燃烧除去的所谓的强制再生。通过排气管内喷射装置13或者后喷射来向氧化催化剂15供给未燃燃料(HC)，将DPF16升温至PM燃烧温度(例如约600℃)，由此进行强制再生。
此外，本实施方式的DPF16中设置有隔着至少一个以上间隔壁对置地配置而形成电容器的一对电极17a、17b。该一对电极17a、17b分别与电子控制单元(以下称作ECU)20电连接。
DPF入口温度传感器31检测向DPF16流入的废气的温度(以下称作入口温度TIN)。DPF出口温度传感器32检测从DPF16流出的废气的温度(以下称作出口温度TOUT)。这些入口温度TIN和出口温度TOUT被输出至电连接的ECU20。
ECU20用于进行发动机10、排气管内喷射装置13的燃料喷射等的各种控制，具备公知的CPU、ROM、RAM、输入端口和输出端口等而构成。此外，ECU20具有静电电容运算部21、合计堆积量推测部22、灰堆积量运算部23、PM堆积量运算部24、强制再生控制部25、灰清扫请求判定部26、故障判定部27来作为一部分功能要素。关于这些各功能要素，说明被包含在作为一体的硬件的ECU20中的情况，但是也可以将它们中的任意一部分设置在其他硬件中。
另外，在本实施方式中，静电电容运算部21和一对电极17a、17b构成本发明的静电电容运算单元，强制再生控制部25和排气管内喷射装置13(或者发动机10的未图示的燃料喷射装置)构成本发明的过滤器再生单元。
静电电容运算部21基于用电极17a、17b间的介质的介电常数ε、电极17a、17b间的距离d来表示的以下的数式1，运算一对电极17a、17b间的静电电容C。
[数式1]
C = ϵ × S d
合计堆积量推测部22基于由静电电容运算部21运算出的静电电容C，推测PM堆积量PMDEP及灰堆积量ASHDEP的合计堆积量SUMDEP(SUMDEP＝PMDEP+ASHDEP)。若在电极17a、17b间堆积具有介电常数ε的PM或灰，则这些电极17a、17b间的距离d实质上变短，因此，静电电容C增加。此外，若在电极17a、17b间继续堆积PM和灰，则伴随着介电常数ε的增加，静电电容C也增加。即，静电电容C与合计堆积量SUMDEP之间具有正比关系。
ECU20的存储器中存储有预先通过实验等制作出的静电电容与合计堆积量之间的关系的映射图(未图示)。合计堆积量推测部22从该图读取与由静电电容运算部21运算出的静电电容C对应的值，由此推测DPF16所捕获到的PM及灰的合计堆积量SUMDEP。另外，静电电容C随温度而变化，因此，也可以对推测出的合计堆积量SUMDEP基于入口温度TIN和出口温度TOUT的平均温度(DPF内部温度)来进行修正。
灰堆积量运算部23从由合计堆积量推测部22推测出的合计堆积量SUMDEP分离运算出灰堆积量ASHDEP。通过DPF16的强制再生而使堆积的PM完全燃烧除去(以下称作完全再生)后，在DPF16内残留有不燃性的灰成分。成为这样的状态后，灰成分的堆积量不再变化，因此，由静电电容推测部21运算出的静电电容C的变化率ΔC/ΔT变小。即，完全再生时由合计堆积量推测部22推测出的合计堆积量SUMDEP能够作为残存的灰堆积量ASHDEP。当静电电容C的变化率ΔC/ΔT达到表示完全再生的规定的下限阈值时，灰堆积量运算部23将该完全再生时由合计堆积量推测部22推测出的合计堆积量SUMDEP作为灰堆积量ASHDEP来运算(SUMDEP＝ASHDEP)。
PM堆积量运算部24在强制再生结束后，根据由合计堆积量推测部22推测出的合计堆积量SUMDEP运算PM堆积量PMDEP。当通过完全再生将PM从DPF16燃烧除去而仅残留灰成分时，再次开始PM的堆积。即，如果将完全再生时运算出的灰堆积量ASHDEP作为偏置量(初始值)，则能够根据之后增加的合计堆积量SUMDEP推测PM堆积量PMDEP。
PM堆积量运算部24将完全再生时由灰堆积量运算部23运算出的灰堆积量ASHDEP作为偏置量来存储，并且，从之后由合计堆积量推测部22推测出的合计堆积量SUMDEP减去作为偏置量的灰堆积量ASHDEP，由此，连续地运算PM堆积量PMDEP(PMDEP＝SUMDEP－ASHDEP)。
强制再生控制部25基于由PM堆积量运算部24运算出的PM堆积量PMDEP，控制DPF16的强制再生。ECU20的存储器中存储有预先规定的DPF16中可捕获的PM上限堆积量PMMAX。当由PM堆积量运算部24运算出的PM堆积量PMDEP达到该PM上限堆积量PMMAX(PMDEP≥PMMAX)时，强制再生控制部25执行使排气管内喷射装置13喷射(或者后喷射)燃料的强制再生。
灰清扫请求判定部26基于由灰堆积量运算部23运算出的灰堆积量ASHDEP，判定是否需要进行定期地清扫灰的DPF16的维护。ECU20的存储器中存储有预先规定的清扫请求阈值ASHMAX。该清扫请求阈值ASHMAX例如将灰的堆积导致的DPF16前后的压力损失不会给发动机10的允许排压带来影响的范围设定为基准。
当由灰堆积量运算部23运算出的灰堆积量ASHDEP达到该清扫请求阈值ASHMAX(ASHDEP≥ASHMAX)时，灰清扫请求判定部26判定为需要维护。另外，判定结果被存储于ECU20的存储器，在该存储器被连接到服务工具等外部连接设备时，输出至该外部连接设备。另外，也可以构成为，通过警告灯等来通知驾驶员服务的必要性。
故障判定部27基于由灰堆积量运算部23运算出的灰堆积量ASHDEP以及强制再生的执行次数，判定发动机10等是否有故障。一般来讲，已知在灰的堆积量与发动机油的消耗量等之间具有相关性。故障判定部27基于强制再生的执行次数、每次强制再生时运算出的灰堆积量ASHDEP，运算灰堆积量ASHDEP的增加率(斜率)，并且，在该增加率超过表示异常的阈值的情况下，判定为发动机10等中产生了故障。
接下来，基于图2对本实施方式的排气净化装置的控制流程进行说明。另外，本控制从DPF16中未堆积有灰的状态(例如新品时或者维护结束后)开始。
在S100中，将作为偏置量的灰堆积量ASHDEP设定为零，并且，将推测出的合计堆积量SUMDEP作为PM堆积量PMDEP来运算(ASHDEP＝0，SUMDEP＝PMDEP)。
在S110中，判定PM堆积量PMDEP是否达到了PM上限阈值PMMAX。在PM堆积量PMDEP达到PM上限阈值PMMAX(PMDEP≥PMMAX)的情况下，本控制进入S120而开始第一次的强制再生。
在S130中，基于静电电容C的变化率ΔC/ΔT，对完全再生进行判定。在变化率ΔC/ΔT达到表示完全再生的下限阈值(ΔC/ΔT≤下限阈值)的情况下，本控制进入S140。在S140中，将完全再生时的合计堆积量SUMDEP作为灰堆积量ASHDEP来运算(SUMDEP＝ASHDEP)。
在S150中，判定灰堆积量ASHDEP是否达到了清扫请求阈值ASHMAX。在灰堆积量ASHDEP达到清扫请求阈值ASHMAX(ASHDEP≥ASHMAX)的情况下，本控制在S300中将灰的清扫请求(需要进行DPF16的维护)保存于ECU20的存储器，之后返回。
在S200中，将最近一次运算出的灰堆积量ASHDEP(n-1)作为偏置量，开始PM堆积量PMDEP(n)的运算。从合计堆积量SUMDEP(n)减去灰堆积量ASHDEP(n-1)，从而运算出该PM堆积量PMDEP(n)(PMDEP(n)＝SUMDEP(n)－ASHDEP(n-1))。
在S210中，判定PM堆积量PMDEP(n)是否达到了PM上限阈值PMMAX。在PM堆积量PMDEP(n)达到PM上限阈值PMMAX(PMDEP(n)≥PMMAX)的情况下，本控制进入S220，开始第二次以后的强制再生。
在S230中，基于静电电容C的变化率ΔC/ΔT，对完全再生进行判定。在变化率ΔC/ΔT达到表示完全再生的下限阈值(ΔC/ΔT≤下限阈值)的情况下，本控制进入S240。在S240中，将完全再生时的合计堆积量SUMDEP (n)作为灰堆积量ASHDEP(n)来运算(SUMDEP(n)＝ASHDEP(n))。
在S250中，判定灰堆积量ASHDEP(n)是否达到了清扫请求阈值ASHMAX。在灰堆积量ASHDEP(n)达到清扫请求阈值ASHMAX(ASHDEP(n)≥ASHMAX)的情况下，本控制进入S300，保存灰的清扫请求，并返回。另一方面，在灰堆积量ASHDEP (n)未达到清扫请求阈值ASHMAX(ASHDEP(n)＜ASHMAX)的情况下，本控制返回S200。即，在灰堆积量ASHDEP达到清扫请求阈值ASHMAX之前，反复执行S200～250的各步骤。
另外，在图2所示的流程中虽然省略了说明，但是也可以构成为，在S240～S250的任意步骤之间，运算这次的灰堆积量ASHDEP(n)相对于前次的灰堆积量ASHDEP(n-1)而言的增加率，在该增加率超过表示异常的阈值的情况下，判定为发动机10等故障。
接下来，对本实施方式的排气净化装置的作用效果进行说明。
现有技术中，根据DPF的完全再生时检测到的DPF前后差压来推测DPF所捕获到的灰堆积量。然而，在强制再生的末期，由于DPF前后差压的降低而PM堆积量与DPF前后差压之间的相关性变差，无法准确地检测完全再生，可能无法准确地区分灰成分对DPF前后差压有多大影响。
与此相对，本实施方式的排气净化装置构成为，在强制再生的末期也基于灵敏度良好的静电电容C，对完全再生时期进行判定，并且，根据该完全再生时检测到的静电电容C分离运算出灰堆积量ASHDEP(参照图3的T2、4、6)。此外，在运算出的灰堆积量ASHDEP达到清扫请求阈值ASHMAX(参照图3的T6)的情况下，判定为需要DPF16的维护。因此，根据本实施方式的排气净化装置，能够高精度地检测DPF16所捕获到的灰的堆积量，能够正确地判定定期清扫灰的DPF16的维护时期。
此外，在本实施方式的排气净化装置中，将完全再生时运算出的灰堆积量ASHDEP作为偏置量，从之后增加的合计堆积量SUPDEP中减去灰堆积量ASHDEP，由此运算PM堆积量PMDEP。并且，构成为，将作为初始值的灰堆积量ASHDEP考虑在内的PM堆积量PMDEP达到PM上限阈值PMMAX时，执行强制再生(参照图3的T1、3、5)。因此，根据本实施方式的排气净化装置，即使灰不断堆积，也能够较长地确保再生间隔(参照图3的A～C)，能够有效地防止油耗变差及催化剂的劣化。
另外，本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内适当变形来实施。
例如，如图4所示，也可以是，在排气通路12上连接绕过DPF16的旁路通路18，在该旁路通路18中具备容量小的计测用DPF16a(第二过滤器)。该情况下，优选为，将一对电极17a、17b在计测用DPF16a内隔着至少一个以上间隔壁而对置地配置，并且在旁路通路18中设置用于调整废气的流量的小孔18a(节流)。此外，在执行计测用DPF16a的强制再生的情况下，也可以是，向一对电极17a、17b施加电压而使其作为加热器起作用。此外，电极17a、17b的根数不限定为一对，也可以具备多对。此外，本发明不限于发动机等的内燃机，例如也能够作为从工厂等排出的排烟中含有的PM的净化装置来应用。
附图标记的说明
10发动机
12排气通路
13排气管内喷射装置
14排气后处理装置
15氧化催化剂
16DPF(过滤器)
20ECU
21静电电容运算部
22合计堆积量推测部
23灰堆积量运算部
24PM堆积量运算部
25强制再生控制部
26灰清扫请求判定部
27故障判定部

Claims (7)

1.一种排气净化装置，其特征在于，具备：
过滤器，设置于内燃机的排气通路，捕获排气中的颗粒状物质；
过滤器再生单元，能够执行将所述过滤器中堆积的颗粒状物质燃烧除去的强制再生；
静电电容检测单元，检测所述过滤器的静电电容；
合计堆积量推测单元，基于由所述静电电容检测单元检测出的静电电容，推测所述过滤器捕获到的颗粒状物质及灰成分的合计堆积量；以及
灰堆积量运算单元，将在所述过滤器再生单元进行的强制再生结束时由所述合计堆积量推测单元推测出的合计堆积量，作为灰堆积量来运算。
2.如权利要求1所述的排气净化装置，
还具备颗粒状物质堆积量运算单元，该颗粒状物质堆积量运算单元从由所述合计堆积量推测单元推测出的合计堆积量，减去由所述灰堆积量运算单元运算出的灰堆积量，由此运算所述过滤器捕获到的颗粒状物质的堆积量。
3.如权利要求2所述的排气净化装置，
所述过滤器再生单元在由所述颗粒状物质堆积量运算单元运算出的颗粒状物质的堆积量达到所述过滤器可捕获的上限阈值时，执行强制再生。
4.如权利要求1至3中任一项所述的排气净化装置，
还具备清扫请求判定单元，该清扫请求判定单元在由所述灰堆积量运算单元运算出的灰堆积量达到了给所述内燃机的允许排压带来影响的上限阈值时，判定为需要进行将所述过滤器中堆积的灰清扫的维护。
5.如权利要求1至4中任一项所述的排气净化装置，
静电电容检测单元包含至少一对电极，该至少一对电极在所述过滤器内隔着至少一个以上间隔壁而对置地配置，形成电容器。
6.如权利要求5所述的排气净化装置，还具备：
旁路通路，将比所述过滤器更靠排气上游侧及下游侧的所述排气通路连接，绕过所述过滤器；以及
第二过滤器，设置于所述旁路通路，捕获在该旁路通路中流动的排气中的颗粒状物质；
所述一对电极在所述第二过滤器内隔着至少一个以上间隔壁而对置地配置。
7.如权利要求6所述的排气净化装置，
在执行所述第二过滤器的强制再生时，使所述一对电极作为加热器起作用。
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