JP2007071080A - 内燃機関用排出ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 捕集器の前後差圧に基づいて捕集器への排気微粒子の堆積量を推定する際の、堆積量の推定精度を向上させる。
【解決手段】 捕集器４を通過する排出ガス中の特定のガス成分の量を用いて堆積量を算出する。特定のガス成分として、排出ガスの物性（特に、粘度）に大きな影響を与えるガス成分（例えば、Ｏ_２）を選定することにより、実質的に、排出ガス組成を考慮した堆積量の推定を行うことができ、堆積量推定精度を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排出ガスに含まれるパティキュレート（以下、排気微粒子という）を捕集するための捕集器を備える排出ガス浄化装置に関するものである。

近年、車両に搭載されるディーゼル内燃機関においては、排出ガス中の排気微粒子を低減するために、排気微粒子を捕集する捕集器を排気管の途中に設置することが行われている。

捕集器は、一般に、多数の排気流路を有するセラミック多孔質体からなり、排気流路を区画する多孔質の隔壁を排出ガスが通過する際に、排気微粒子を吸着、捕集する。そして、捕集器に捕集された排気微粒子がそのまま堆積すると圧損が増大して機関効率が低下するため、堆積量の算出値が所定値に達すると捕集器内の排気微粒子を燃焼させて捕集器を再生するようにしている。

具体的には、酸化触媒を担持した捕集器を用い、捕集器再生時にはメイン噴射の後にポスト噴射を行って捕集器に未燃ＨＣを供給し、未燃ＨＣの触媒反応によって捕集器内部を昇温して捕集器内の排気微粒子を燃焼除去する。

捕集器への排気微粒子の堆積量を推定する手法として、捕集器の前後差圧および排出ガスの流量に基づいて堆積量を推定する手法が知られている。また、捕集器を通過する排出ガスの温度により排出ガスの物性（粘度、密度）が変化して、堆積量の推定値に誤差を生じるため、排出ガスの温度を考慮して堆積量を推定する手法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、排出ガス組成が変化した際の排出ガスの物性変化は考慮されておらず、堆積量の推定値に誤差を生じることがある。

本発明は上記点に鑑みて、捕集器の前後差圧および排出ガスの温度に基づいて捕集器への排気微粒子の堆積量を推定する際の、堆積量の推定精度を向上させることを目的とする。

本発明は、捕集器（４）の前後差圧および排出ガスの温度に基づいて捕集器（４）への排気微粒子の堆積量を算出する際に、捕集器（４）を通過する排出ガス中の特定のガス成分の量を用いて堆積量を算出することを第１の特徴とする。

これによると、排出ガス組成を考慮した堆積量の推定を行うことができるため、堆積量推定精度を向上させることができる。

本発明は、内燃機関（１）の運転状態に基づいてＯ_２濃度を推定することを第２の特徴とする。これによると、Ｏ_２濃度を検出するセンサを不要にすることができる。

本発明は、Ｏ_２濃度を検出するガス成分センサ（６４）を備えることを第３の特徴とする。これによると、Ｏ_２濃度を精度よく推定することができるため、堆積量推定精度を向上させることができる。

本発明は、ガス成分センサ（６４）が、捕集器（４）よりもガス流れ上流側および捕集器（４）よりもガス流れ下流側に配置されていることを第４の特徴とする。これによると、捕集器内でガス組成が変化した場合でも、捕集器よりもガス流れ上流側のガス成分の量と捕集器よりもガス流れ下流側のガス成分の量とに基づいて、捕集器内でのガス組成を高精度に推定することができるため、堆積量推定精度を向上させることができる。

本発明は、堆積量の算出の仕方が、捕集器の再生時と非再生時とで異なることを第５の特徴とする。捕集器の再生時には未燃ＨＣの反応による排出ガスの物性変化があるため、堆積量の算出の仕方を捕集器の再生時と非再生時とで異ならせることにより、再生時の堆積量推定精度および非再生時の堆積量推定精度をともに向上させることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る内燃機関用排出ガス浄化装置の全体構成図である。

図１に示すように、車両走行用動力源としてのディーゼルエンジン（以下、内燃機関という）１には、吸入空気が流通する吸気通路２と、内燃機関１から排出された排出ガスが流通する排気通路３とが接続され、排気通路３の途中には、排気微粒子を捕集する捕集器４およびマフラ５が設けられている。

捕集器４は、コーディエライトや炭化珪素等の多孔質セラミック製のハニカム体の流路を目封じしたフィルタ本体を内蔵しており、フィルタ本体の表面には、排出ガスに含まれる排気微粒子が捕集され堆積していく。また、捕集器４のフィルタ本体の表面には、白金やパラジウム等の貴金属を主成分とする酸化触媒が担持されており、所定の温度条件下で排気微粒子を酸化、燃焼し、除去するようになっている。

排気通路３における捕集器４の直上流に第１温度センサ６１が設けられ、この第１温度センサ６１は、捕集器４に流入する排出ガスの温度（以下、ＤＰＦ入口温度という）を検出する。また、排気通路３における捕集器４の直下流に第２温度センサ６２が設けられ、この第２温度センサ６２は、捕集器４から流出する排出ガスの温度（以下、ＤＰＦ出口温度という）を検出する。

排気通路３には、捕集器４の直上流側から分岐した第１分岐通路３１と、捕集器４の直下流側から分岐した第２分岐通路３２とが接続されている。そして、両分岐通路３１、３２間に差圧センサ６３が設けられ、この差圧センサ６３は、捕集器４の入口側と出口側との間の差圧（以下、前後差圧という）を検出する。

排気通路３における捕集器４の直上流にガス成分センサ６４が設けられ、このガス成分センサ６４は、捕集器４を通過する排出ガス中の特定のガス成分であるＯ_２の濃度を検出する。因みに、Ｏ_２濃度は、排出ガスの物性（特に、粘度）に大きな影響を与えるガス成分である。

吸気通路２には、吸入空気の質量流量（以下、吸気量という）を検出するエアフローメータ６５が設けられている。アクセルペダル（図示せず）には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ６６が設けられている。内燃機関１には、内燃機関１のクランク角位置を検出するクランク角センサ６７が設けられている。

上述した各種センサおよびエアフローメータの出力は、ＥＣＵ７に入力される。なお、ＥＣＵ７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶された各種プログラムを順に実行する。具体的には、ＥＣＵ７は、燃料噴射制御プログラムを実行することにより、内燃機関１の運転状態（例えば、クランク角センサ６７の信号に基づいて算出されるエンジン回転数、アクセル開度センサ６６にて検出されるアクセルペダルの踏み込み量）に応じて内燃機関１への燃料噴射量を制御する。また、ＥＣＵ７は、捕集器再生制御プログラムを実行することにより、所定のタイミングで捕集器４の再生を行う。

次に、本実施形態の排出ガス浄化装置の作動を説明する。ＥＣＵ７は、捕集器再生制御プログラムを所定の周期で繰り返し実行する。具体的には、ＥＣＵ７は、捕集器４への排気微粒子の堆積量を算出し、堆積量が所定値に達すると、ポスト噴射を行わせて捕集器４に未燃ＨＣを供給し、未燃ＨＣの触媒反応によって捕集器４内部を昇温して捕集器４内の排気微粒子を燃焼させ、捕集器４の再生を行う。

図２は、捕集器再生制御プログラムにおける、捕集器４への排気微粒子の堆積量を算出する処理のフローチャートであり、まず、ステップＳ１０１では、差圧センサ６３にて検出される前後差圧ΔＰ、およびエアフローメータ６５にて検出される吸気量を取り込む。

次いで、ステップ１０２に進み、捕集器４を通過する排出ガスの温度を算出する。この排出ガスの温度は、第１温度センサ６１および第２温度センサ６２で検出されるＤＰＦ入口温度とＤＰＦ出口温度からの推定値（例えば、平均値）である。

次いで、ガス成分算出手段としてのステップＳ１０３に進み、捕集器４を通過する排出ガス中のガス成分の量を算出する。このガス成分の量は、ガス成分センサ６４にて検出されるＯ_２濃度である。

次いで、ステップＳ１０４に進み、捕集器４を通過する排出ガスの密度ρを算出する。この排出ガスの密度ρは、捕集器４を通過する排出ガスの温度及び捕集器４の上流圧力（前後差圧からの推定値でもよい）に基づいて、所定の演算式若しくはマップにて算出する。

次いで、ステップＳ１０５に進み、捕集器４を通過する排出ガスの流速ｖを算出する。この排出ガスの流速ｖは、ステップＳ１０１で求めた質量流量の吸気量を、捕集器４を通過する排出ガスの温度および前後差圧ΔＰに基づいて体積流量に換算し、さらに排出ガスの体積流量を捕集器４の有効通路面積で除して算出する。

次いで、ステップＳ１０６に進み、捕集器４を通過する排出ガスの粘度μを算出する。この排出ガスの粘度μは、ステップ１０２で求めた排出ガスの温度と、ステップ１０３で求めたＯ_２濃度とに基づいて決定される。具体的には、捕集器４を通過する排出ガスの温度およびＯ_２濃度と排出ガスの粘度μとの関係を定義するマップがＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されており、排出ガスの粘度μはそのマップから求められる。図３はその排出ガスの温度およびＯ_２濃度と排出ガスの粘度μとの関係を示すもので、排出ガスの温度が高くなるほど排出ガスの粘度μが高くなり、またＯ_２濃度が高くなるほど排出ガスの粘度μが高くなる。

次いで、堆積量算出手段としてのステップＳ１０７に進み、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶された下式（１）にて、捕集器４への排気微粒子の堆積量ＭＬを算出する。

ＭＬ＝［ΔＰ−（Ａμｖ＋Ｃρｖ^２）］／（Ｂμｖ＋Ｄρｖ^２）…式（１）
式（１）中、ＭＬは堆積量、ΔＰは前後差圧、μは捕集器４を通過する排出ガスの粘度、ｖは捕集器４を通過する排出ガスの流速、ρは捕集器４を通過する排出ガスの密度、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは定数である。

前述したように、Ｏ_２濃度が高くなるほど排出ガスの粘度μが高くなり、その結果、式（１）にて算出される堆積量ＭＬは、Ｏ_２濃度が高くなるほど少なくなる。

そして、式（１）にて算出された堆積量ＭＬが所定値に達すると、従来と同様に捕集器４の再生を行う。

本実施形態では、捕集器４を通過する排出ガスのＯ_２濃度を考慮して堆積量を算出しているため、換言すると、排出ガス組成が変化した際の排出ガスの物性変化を考慮して堆積量を算出しているため、堆積量推定精度を向上させることができる。

また、排出ガス中の全てのガス成分のうち、排出ガスの物性に大きな影響を与えるＯ_２濃度のみを検出しているため、排出ガス中の全てのガス成分を検出する場合よりも容易に且つ安価に実施することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は本発明の第２実施形態に係る内燃機関用排出ガス浄化装置の全体構成図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態は、図４に示すように、ガス成分センサ６４を、排気通路３における捕集器４の直上流および捕集器４の直下流に設けている。これによると、捕集器４内でガス組成が変化した場合でも、捕集器４よりもガス流れ上流側のＯ_２濃度と捕集器４よりもガス流れ下流側のＯ_２濃度とに基づいて、捕集器４内でのＯ_２濃度を高精度に推定することができ、ひいては捕集器４内でのガス組成を高精度に推定することができるため、堆積量推定精度を向上させることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、捕集器４を通過する排出ガスのＯ_２濃度を考慮して堆積量を算出したが、Ｏ_２濃度の代わりにＣＯ_２濃度を考慮して堆積量を算出してもよい。因みに、ＣＯ_２の場合は、ＣＯ_２濃度が低くなるほど排出ガスの粘度μが高くなり、その結果、前述した式（１）にて算出される堆積量ＭＬは、ＣＯ_２濃度が低くなるほど少なくなる。

また、Ｏ_２、ＣＯ_２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等のうち、複数の成分の濃度を考慮して堆積量を算出してもよい。

上記各実施形態では、ステップＳ１０３にてガス成分センサ６４の出力値に基づいてＯ_２濃度を算出したが、内燃機関１の運転状態（例えば、内燃機関１の回転数および内燃機関１への燃料噴射量）とＯ_２濃度との関係を定義するマップをＥＣＵ７のＲＯＭに記憶させておき、内燃機関１の運転状態に基づいてそのマップからＯ_２濃度を求めてもよい。これによると、ガス成分センサ６４が不要となる。

また、捕集器４の再生時には未燃ＨＣの反応による排出ガスの物性変化があるため、捕集器４を通過する排出ガスの温度およびＯ_２濃度と排出ガスの粘度μとの関係を定義するマップとして、捕集器４の再生時に用いるマップと、捕集器４の非再生時に用いるマップとを用意し、捕集器４の再生時と非再生時とで適切なマップを用いることにより、再生時の堆積量推定精度および非再生時の堆積量推定精度をともに向上させることができる。

また、捕集器４を通過する排出ガスのＯ_２濃度を考慮せずに仮の堆積量を算出し、その仮の堆積量をＯ_２濃度に応じて補正して堆積量を算出してもよい。

また、ガス成分センサ６４は、捕集器４よりもガス流れ上流側および捕集器４よりもガス流れ下流側のうち、捕集器４よりもガス流れ下流側のみに設けてもよい。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関用排出ガス浄化装置の全体構成図である。 図１のＥＣＵにて実行される堆積量算出処理のフローチャートである。 排出ガスの温度およびＯ_２濃度と排出ガスの粘度μとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関用排出ガス浄化装置の全体構成図である。

符号の説明

１…内燃機関、４…捕集器。

Claims (8)

1. 内燃機関（１）から排出される排出ガス中の排気微粒子を捕集する捕集器（４）と、前記捕集器（４）の前後差圧および前記捕集器（４）を通過する排出ガスの温度に基づいて前記捕集器（４）への排気微粒子の堆積量を算出する堆積量算出手段（Ｓ１０７）とを備え、前記堆積量算出手段（Ｓ１０７）にて算出した堆積量が所定値に達すると前記捕集器（４）に堆積した排気微粒子を燃焼させて前記捕集器（４）の再生を行う内燃機関用排出ガス浄化装置であって、
   前記捕集器（４）を通過する排出ガス中の特定のガス成分の量を求めるガス成分算出手段（Ｓ１０３）を備え、
   前記堆積量算出手段（Ｓ１０７）は、前記ガス成分算出手段（Ｓ１０３）にて求めた特定のガス成分の量を用いて堆積量を算出することを特徴とする内燃機関用排出ガス浄化装置。
2. 前記ガス成分算出手段（Ｓ１０３）はＯ_２濃度を求め、
   前記堆積量算出手段（Ｓ１０７）は、前記Ｏ_２濃度が高くなるほど堆積量が少なくなるように堆積量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
3. 前記ガス成分算出手段（Ｓ１０３）は、前記内燃機関（１）の運転状態に基づいて前記Ｏ_２濃度を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
4. 前記ガス成分算出手段（Ｓ１０３）は、前記Ｏ_２濃度を検出するガス成分センサ（６４）の出力値に基づいて前記Ｏ_２濃度を求めることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
5. 前記ガス成分センサ（６４）は、前記捕集器（４）よりもガス流れ上流側のみに配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
6. 前記ガス成分センサ（６４）は、前記捕集器（４）よりもガス流れ下流側のみに配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
7. 前記ガス成分センサ（６４）は、前記捕集器（４）よりもガス流れ上流側および前記捕集器（４）よりもガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。
8. 前記堆積量算出手段（Ｓ１０７）は、堆積量の算出の仕方が、前記捕集器（４）の再生時と非再生時とで異なることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の内燃機関用排出ガス浄化装置。

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