JP2009138645A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クラック等の小さな破損でも検出でき、かつ、周囲の環境を悪化させる虞のない排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路２２に設けられ、排気中のパティキュレートマターを捕捉するＤＰＦ１２の下流側にフィルタ用の異常検出手段３とが設けられている。異常検出手段３は、パティキュレートトラップ３１と、パティキュレートトラップ３１で捕捉されたパティキュレートマターの捕捉量を示す指標値を導出する導出手段としての温度センサ３２ａ及び３２ｂと、この指標値からＤＰＦ１２の異常を判定する判定手段３３とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンともいう）では、排気中のパティキュレートマター（排気微粒子、以下ＰＭともいう）が外部に放出されることを抑制すべく、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設けて、ＰＭを捕捉している。

このようなＤＰＦにおいては、時間の経過とともに捕捉したＰＭが堆積し、この堆積量が増加すると目詰まりしてしまい、通気性が損なわれてしまうおそれがある。このため、いわゆる連続再生や強制再生によってＤＰＦを昇温し、ＤＰＦによって捕捉されたＰＭを燃焼させることで、定期的にあるいは必要に応じてＰＭを除去している。

ところで、この強制再生時には、ＤＰＦに堆積しているＰＭが燃焼する際の燃焼温度の影響等により、ＤＰＦの一部に溶損が発生したり、クラックの発生により欠損したりすることがある。ＤＰＦに溶損や欠損等が生じると、この部分ではＰＭが捕捉されず、そのまま大気中に放出されてしまうおそれがある。

そこで、フィルタの溶損や欠損等を判定する判定機能を有する排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置は、内燃機関の排気通路上に設けられたフィルタの上流側から燃料を供給し、その燃料がフィルタをすり抜けたかどうかを検出する。そして、フィルタを通過した排気の空燃比を検出する空燃比センサの出力が所定値以上にリーン側に変化した場合、フィルタが破損したと判定する。

特開２００５−９０３２４号公報（請求項１並びに図１、２等）

上記排気浄化装置によれば、ＤＰＦの一部が溶損して大きく開口した場合等のように、フィルタの破損部分が比較的大きいと、破損の検出は容易である。しかし、ＤＰＦの一部にクラック等による小さな欠損が生じた場合、その検出は一般に容易ではない。例えば、フィルタに小さなクラック等の小さな欠損が生じているような場合、ＰＭは微量であってもこのクラックをすり抜ける可能性がある。ここで、特許文献１のように、空燃費センサの出力の変化によってフィルタの破損を判定する装置によれば、クラックをすり抜けるＰＭが空燃費センサの出力に大きな変化を生じさせない程度の微量である場合には、ＤＰＦの破損を検出することができず、誤判定を招きかねないという問題がある。

そこで、本発明の課題は上記従来技術の問題点を解決することにあり、比較的簡単な構成で、フィルタにおけるクラック等の小さな破損でもより確実に検出でき、かつ、周囲の環境を悪化させる可能性を低減できる排気浄化装置を提供することにある。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートマターを捕捉するフィルタと、前記フィルタの下流側に設けられたフィルタ用の異常検出手段とを備え、前記異常検出手段が、フィルタより小容量のパティキュレートトラップと、前記パティキュレートトラップで捕捉されたパティキュレートマターの積算量を示す指標値を導出する導出手段と、前記導出手段で導出された指標値からフィルタの異常を判定する判定手段からなることを特徴とする。

本発明の排気浄化装置によれば、フィルタを通過したＰＭを小容量のパティキュレートトラップで捕捉し、その積算量を示す指標値を導出してこの値から異常を判定する。このように、フィルタの異常判定に、小容量のパティキュレートトラップにおけるＰＭの積算量を用いることで、従来検出できなかったようなフィルタの小さな破損であっても的確に検出することが可能である。しかも、本発明の排気浄化装置によれば、パティキュレートトラップでＰＭを捕捉しながら、フィルタの異常を検出することができるので、フィルタにクラック等の小さな欠損があったとしても、ここを通過したＰＭはパティキュレートトラップで捕捉されることとなる。そのため、ＰＭが外気へ放出される可能性を低減できる。また、異常検出手段を構成するためのパティキュレートトラップとして、フィルタより小容量のものを用いていることで、コストを抑え、しかも排気浄化装置をコンパクトにまとめることができる。

ここで、かかるクラック等の小さな破損でも検出でき、かつ、周囲の環境を悪化させる虞の少ない排気浄化装置を簡易に構成すべく、前記導出手段が、パティキュレートトラップの上流側及び下流側に設けられた、前記フィルタの異常に相関して変化する物理量を検出する物理量検出手段を備え、前記判定手段が、前記物理量検出手段で検出された物理量の差を前記指標値として算出するように構成されていることが好ましい。

前記パティキュレートトラップが、前記フィルタの強制再生時に当該フィルタと同時又はほぼ同時に昇温される位置に設けられ、前記物理量検出手段が、前記パティキュレートトラップの昇温によって変化する物理量を検出することが好ましい。

フィルタに異常が生じているとすると、強制再生時にパティキュレートトラップが昇温されてパティキュレートトラップに堆積されたＰＭが燃焼され、パティキュレートトラップ前後で物理量の変化（例えば、温度差や酸素濃度差等）が発生するので、これを物理量変化手段で検出すれば、ＰＭ自体をモニタすることなく、簡易な構成でフィルタの異常を検出することができる。

本発明の排気浄化装置によれば、比較的簡単な構成で、フィルタにおけるクラック等の小さな破損でもより確実に検出でき、かつ、周囲の環境を悪化させる可能性を低減できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の排気浄化装置の実施の形態につき、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、排気浄化装置を説明するための模式図である。

図１（ａ）に示すように、排気浄化装置１は、エンジン２の排気マニホールド２１に連結された排気管２２の途中に設けられている。排気浄化装置１には、エンジン２から排出されて排気マニホールド２１及び排気管２２を通過した排気が導入されるように構成されている。

排気浄化装置１には、上流側から酸化触媒１１、ＤＰＦ１２がそれぞれ別個の触媒容器１３、１４に保持されて設けられている。

酸化触媒１１は、排気上流側に設けられており、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化するものである。酸化触媒１１としては、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに、リッチ運転を行うことで該吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒等を用いることができる。

ＤＰＦ１２は、多数のセルからなるハニカム（モノリス）型の担体を有し、隣接するセルの上流側と下流側との開口部は交互に閉鎖されているウォールフロータイプのＤＰＦである。なお、このＤＰＦ１２としては、担体上に触媒層が形成された触媒機能付きＤＰＦを用いることもできる。

なお、図１では酸化触媒１１及びＤＰＦ１２はそれぞれ別個の触媒容器１３、１４に保持されているが、同じ触媒容器で保持してもよく、また、ＤＰＦ１２はオープンフロータイプのＤＰＦを用いてもよい。

ところで、ＤＰＦ１２に強制再生等に起因して発生したクラック等の小さな破損がある場合、ＤＰＦ１２のこの小さな破損をＰＭが通過して大気中に放出されてしまうので、このようなＤＦＥ１２の異常を検出する異常検出手段を設ける必要がある。

そこで、本実施形態では、図１に示すような異常検出手段３が設けられている。この異常検出手段３は、ＤＰＦ１２が保持されている触媒容器１４内のＤＰＦ１２の下流側に設けられたパティキュレートトラップ（以下、ＰＭトラップという）３１と、このＰＭトラップ３１の上流側及び下流側に設けられた物理量検出手段としての温度センサ３２ａ、３２ｂとを備えている。温度センサ３２ａ及び３２ｂは、図示しないエンジンコントロールユニットに組み込まれた判定手段３３に接続されている。

このＰＭトラップ３１としては、本実施の形態ではオープンフロータイプのハニカム構造体を用いている。ＤＰＦの下流側にＰＭトラップ３１を設けることで、ＤＰＦ１２を通過したＰＭをＰＭトラップ３１で捕捉することができるので、ＤＰＦ１２に破損があった場合にＰＭが大気中に放出されてしまうことが抑制される。このように、ＰＭトラップ３１は、ＤＰＦの破損による微少量のＰＭを捕捉することで、ＤＰＦ１２に生じたクラック等の破損を検出するものであるので、ＰＭトラップ３１はＤＰＦ１２より小容量のもので十分その機能を果たすことができる。かつ、ＰＭトラップ３１が小容量であることで、コストを抑えるとともに排気浄化装置をコンパクトにまとめることが可能である。

また、このＰＭトラップ３１は、ＤＰＦ１２が保持されている触媒容器１４内に設けられているので、ＰＭトラップ３１は、強制再生時にＤＰＦ１２と同時又はほぼ同時に昇温され易くなっている。従って、ＰＭトラップ３１に堆積されたＰＭは、ＤＰＦ１２の強制再生に伴って燃焼される。この場合に、ＰＭトラップ３１の前後に設けられた温度センサ３２ａ及び３２ｂが、ＰＭトラップ３１の上流側及び下流側の物理量としての温度を検出する。そして、温度センサ３２ａ及び３２ｂに接続された判定手段３３が、ＰＭトラップ３１の上流側及び下流側の温度差を算出し、この温度差から異常を検出する。

図１（ｂ）は、判定手段３３の作動を説明するためのグラフである。このグラフの縦軸はＤＰＦ１２の強制再生時におけるＰＭトラップ３１の前後温度差を示し、横軸はＰＭトラップ３１へのＰＭ堆積量を示す。図１（ｂ）によれば、ＰＭトラップ３１にＰＭが捕捉され、ＰＭの堆積量が増えるにつれて、強制再生時におけるＰＭの燃焼量が大きくなるので、これに比例して温度センサ３２ａ及び３２ｂ間の温度差（温度センサ３２ｂの出力値−温度センサ３２ａの出力値）は大きくなる。判定手段３３は、温度センサ３２ａ及び３２ｂにより検出したＰＭトラップ３１の上流側及び下流側の温度差を算出し、この温度差が閾値以上になれば、ＤＰＦ１２に異常があることを判定する。

このような排気浄化装置１の作動について説明する。

ＤＰＦ１２にクラック等による欠損があると微少量のＰＭがＤＰＦ１２を通過して排出される。このわずかなＰＭはＰＭトラップ３１で捕捉されて堆積される。ＰＭトラップ３１に堆積したＰＭは、ＤＰＦ１２の強制再生時に同時に燃焼することとなるので、ＰＭトラップ３１の下流側の温度がＰＭトラップ３１の上流側の温度よりも高くなり、ＰＭトラップの上流側と下流側とで温度差が生じる。前述の通り、このときのＰＭトラップ３１の上流側及び下流側の温度は、異常検出手段３の温度センサ３２ａ、３２ｂで検出され、これらの温度差が閾値以上になれば、堆積したＰＭが多いとして判定手段３３がＤＰＦ１２に異常があることを判定する。

即ち、本実施形態においては、通常検出できないような微少量のＰＭをＰＭトラップ３１で捕捉し、この堆積量でＤＰＦ１２の異常を判断する。しかも、この場合にＤＰＦ１２に破損が生じてから、判定手段３３でその異常を判定するまでの間も、ＤＰＦ１２の破損部分を通過したＰＭはＰＭトラップ３１で捕捉される。したがって、大気中にＰＭが放出されることが抑制される。さらに、実施形態１のように物理量算出手段として温度センサ３２ａ及び３２ｂを用いることで、コストを抑えると共に、簡易に測定することが可能である。

図２（ａ）に本発明の第２の実施形態を示す。

第２の実施形態における排気浄化装置４は、図１に示した温度センサ３２ａ及び３２ｂに代えて、Ｏ_２センサ４１ａ及び４１ｂを備えている。なお、Ｏ_２センサ４１ａ及び４１ｂの代わりに、例えばＬＡＦＳ（linear air fuel sensor）を用いることもできる。

第２の実施形態における判定手段３３の作動につき、図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は、第２の実施形態における判定手段３３の作動を説明するためのグラフであり、縦軸はＤＰＦ１２の強制再生時におけるＰＭトラップ３１の前後酸素濃度差を示し、横軸はＰＭトラップ３１へのＰＭ堆積量を示す。図２（ｂ）に示すように、ＰＭトラップ３１にＰＭが捕捉され、ＰＭの堆積量が増えるにつれて、強制再生時におけるＰＭの燃焼量が変化するので、これに比例してＰＭトラップ３１の下流側では物理量としての酸素濃度が低くなる。これにより、Ｏ_２センサ４１ａ及び４１ｂ間の酸素濃度差（Ｏ_２センサ４１ａの出力値−Ｏ_２センサ４１ｂの出力値）は大きくなる。従って、判定手段３３は、Ｏ_２センサ４１ａ及び４１ｂで検出された酸素濃度の差が閾値以上になればＤＰＦ１２に異常があることを検出する。

図２（ａ）に示す排気浄化装置４の作動について説明する。

ＤＰＦ１２の欠損部分を通過した微少量のＰＭは、ＰＭトラップ３１で捕捉されて堆積される。ＰＭトラップ３１に堆積したＰＭは、ＤＰＦ１２の強制再生時に同時に燃焼することとなるので、ＰＭトラップ３１の下流側の酸素濃度がＰＭトラップの上流側の酸素濃度よりも低くなり、ＰＭトラップ３１の上流側と下流側とで酸素濃度差が生じる。このときの上流側及び下流側の酸素濃度が、異常検出手段３のＯ_２センサ４１ａ及び４１ｂにより検出される。そして、判定手段３３は、これらＯ_２センサ４１ａ及び４１ｂの検出結果に基づき、ＰＭトラップ３１の上流側と下流側との酸素濃度差を算出するとともに、この酸素濃度差が閾値以上になれば、堆積したＰＭが多いとしてＤＰＦ１２に異常があることを判定する。

即ち、本実施形態においても、通常検出できないような微少量のＰＭをＰＭトラップ３１で捕捉し堆積させ、この堆積量でＤＰＦ１２の異常を判断する。しかも、この場合にＤＰＦ１２に破損が生じてから、判定手段３３でその異常を判定するまでの間も、ＤＰＦ１２の破損部分を通過したＰＭはＰＭトラップ３１で捕捉される。したがって、大気中にＰＭが放出されることが抑制される。さらに、Ｏ_２センサ４１ａ及び４１ｂとしてＬＡＦＳを用いることで、より正確な酸素濃度差を求めることができる。

図１（ａ）及び図２（ａ）を用いて説明した第１及び第２の実施形態では、ＰＭトラップ３１としてＤＰＦより小容量のオープンフロータイプのハニカム構造体を用いているが、このようなＰＭトラップ３１としては、ＰＭが付着するような構造体であればよい。例えば、ウォールフロータイプのハニカム状構造のフィルタなどであってもＰＭ捕捉効率の点に鑑みればＤＰＦの異常検出精度が高いので好ましい。

図３（ａ）に本発明の第３の実施形態を示す。

第３の実施形態における排気浄化装置５は、異常検出手段として、ウォールフロータイプのＰＭトラップ５１と、このウォールフロータイプのＰＭトラップ５１の上流側及び下流側に物理量検出手段としての圧力センサ５２ａ及び５２ｂとを備えている。これらの圧力センサ５２ａ及び５２ｂは、上述の判定手段３３に接続されている。

第３の実施形態における判定手段３３の作動につき、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）は、第３の実施形態における判定手段３３の作動を説明するためのグラフであり、縦軸はＤＰＦ１２の強制再生時におけるＰＭトラップ３１の前後圧力差を示し、横軸はＰＭトラップ５１へのＰＭ堆積量を示す。図３（ｂ）に示すように、ＤＰＦ１２の欠損によるＰＭがＰＭトラップ５１で捕捉され堆積されることにより、定常運転時においてＰＭトラップ５１の下流側圧力とＰＭトラップ５１の上流側圧力との差が大きくなる。この上流側及び下流側の差圧を、圧力センサ５２ａ及び５２ｂにより測定し、これらの差圧を判定手段３３で算出する。判定手段３３は、この算出された差圧が閾値以上になれば、堆積したＰＭが多いとしてＤＰＦ１２に異常があることを判定する。

即ち、この第３の実施形態においては、圧力センサ５２ａ及び５２ｂでウォールフロータイプのＰＭトラップ５１の上流側及び下流側での圧力を測定し、その差圧によりＰＭ堆積量を測定する。なお、ＰＭトラップ５１がオープンフロータイプであると、ＰＭトラップ５１の上流側及び下流側の差圧が検出しにくくなるため、物理量検出手段として圧力センサを用いる場合は、ウォールフロータイプのＰＭトラップと組み合わせて用いるようにする。このように、異常検出手段３が圧力センサ５２ａ及び５２ｂとウォールフロータイプのＰＭトラップ５１とを備えるように構成した場合は、定常運転時におけるＤＰＦ１２の欠損を検出することができる。

本実施形態においても、通常検出できないような微少量のＰＭをＰＭトラップ５１で捕捉し堆積させ、この堆積量でＤＰＦ１２の異常を判断する。しかも、この場合にＤＰＦ１２に破損が生じてから、判定手段３３でその異常を判定するまでの間も、ＤＰＦ１２の破損部分を通過したＰＭはＰＭトラップ５１で捕捉される。したがって、大気中にＰＭが放出されることが抑制される。

このように、上述した各実施形態においては、ＤＰＦ１２の下流側にＰＭトラップ３１、５１を設けて、このＰＭトラップ３１、５１で捕捉され積算されたＰＭの量として、ＰＭトラップ３１、５１前後に設けた各センサ（物理量検出手段）により検出された物理量の差を導出し、判定手段３３においてＤＰＦ１２の異常判定できる。従って、非常に簡易な構成で、ＤＰＦ１２に形成されたクラック等の小さな破損であっても検出でき、かつ、ＰＭを大気放出することを抑制できる。

なお、ＤＰＦに異常があると判定された場合においては、例えば運転者に対し、警告が発せられるような警告手段を併せて用いることができる。

第１の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置を説明するための（ａ）模式図及び（ｂ）作動グラフである。 第２の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置を説明するための（ａ）模式図及び（ｂ）作動グラフである。 第３の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置を説明するための（ａ）模式図及び（ｂ）作動グラフである。

符号の説明

１、４、５ 排気浄化装置
２ エンジン
３ 異常検出手段
１１ 酸化触媒
１２ ＤＰＦ
１３、１４ 触媒容器
２１ 排気マニホールド
２２ 排気管
３１ ＰＭトラップ
３２ａ、３２ｂ 温度センサ
４１ａ、４１ｂ Ｏ_２センサ
５１ ＰＭトラップ
５２ａ、５２ｂ 圧力センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートマターを捕捉するフィルタと、
   前記フィルタの下流側に設けられたフィルタ用の異常検出手段とを備え、
   前記異常検出手段が、
   フィルタより小容量のパティキュレートトラップと、
   前記パティキュレートトラップで捕捉されたパティキュレートマターの積算量を示す指標値を導出する導出手段と、
   前記導出手段で導出された指標値からフィルタの異常を判定する判定手段と
   からなることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記導出手段が、パティキュレートトラップの上流側及び下流側に設けられ、前記フィルタの異常に相関して変化する物理量を検出する物理量検出手段を備え、
   前記判定手段が、前記物理量検出手段で検出された物理量の差を前記指標値として算出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記パティキュレートトラップが、前記フィルタの強制再生時に当該フィルタと同時又はほぼ同時に昇温される位置に設けられ、
   前記物理量検出手段が、前記パティキュレートトラップの昇温によって変化する物理量を検出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。

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