JP2011149414A - 微粒子センサ及び排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出するための検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことを可能とした微粒子センサ及びこれを備えた排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】
排ガスが流通する排気流通路と、排気流通路上に配置され、排気流通路を流通する排ガス中に含まれる微粒子を検出可能な検出フィルタと、検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、排気流通路上の検出フィルタの上流側に配置され、検出フィルタへの排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、微粒子センサ及び排ガス浄化装置に係り、特に内燃機関から排出される排ガス中に含まれる微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を検出する微粒子センサ、及び、その微粒子センサを備える排ガス浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれるＣ（炭素）を主とする微粒子（ＰＭ）を捕捉するのに、多孔質セラミックより構成される微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）を用いた排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排ガス浄化装置において、ＤＰＦには、ディーゼルエンジンの継続的な使用に伴って徐々にＰＭが堆積する。このため、ディーゼルエンジン側から大気へ排ガス中のＰＭが放出されるのを防止することができ、排ガスを浄化することが可能である。

尚、ＤＰＦにＰＭが過剰に堆積するなどの事態が生ずると、ＤＰＦ下流側の排気ラインへＰＭが漏れ出すおそれがある。そこで、このＤＰＦ下流側へのＰＭ漏れの有無を診断するうえでは、ＤＰＦ下流側の排気ラインに分岐して接続する分岐路を設け、その分岐路上にＰＭ濃度を測定してＤＰＦ下流側へのＰＭ漏れを検出するための検出フィルタを設けることが考えられる。また、ＤＰＦへの過剰なＰＭの堆積を防止するうえでは、適切なタイミングでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させて酸化除去することが有効である。そこで、ＤＰＦへのＰＭ堆積量を測定するために、ＤＰＦ上流側の排気ラインに接続し、内燃機関から排出された排ガスの一部をサンプルガスとして取り入れる分岐路を設け、その分岐路上に排ガス中のＰＭを検出（捕捉）可能な検出フィルタを設けている。

このような検出フィルタの近傍には、分岐路内の検出フィルタ前後の圧力差や排気ライン中の酸素濃度などに応じた信号を出力する微粒子センサが配設されている。微粒子センサの出力信号は、診断装置又は測定装置に送られて、ＤＰＦ下流側へのＰＭ漏れの診断やＤＰＦへのＰＭ堆積量の測定に使用される。従って、かかる微粒子センサを用いれば、ＤＰＦ下流側へのＰＭ漏れを診断し或いはＤＰＦへのＰＭ堆積量を測定することが可能となる。

欧州特許第１９１６３９４号明細書

ところで、従来の排ガス浄化装置（特許文献１）において、ＤＰＦ下流側へのＰＭ漏れの有無を診断し或いはＤＰＦに捕捉されるＰＭ量を測定するためには、上記した検出フィルタへ排ガスを導く必要がある。分岐路上の検出フィルタがメインの排気ラインを流通する排ガスに常に晒される構造では、検出フィルタに堆積するＰＭ量の増加する速度が比較的高いので、その結果として、検出フィルタを長期間にわたって作動させるため、検出フィルタに堆積するＰＭを燃焼除去して検出フィルタを再生する電熱ヒータなどの再生機構を検出フィルタ周辺に設けることが一般的である。

しかし、このような再生機構を設けることとすると、排ガス浄化装置全体での構成が過大となり、また、高温に至る部位が多くなるので、各部品の耐熱性を高めることが必要になり或いは各部品と検出フィルタとの距離を大きくすることが必要になるなどの不都合が生じてしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことを可能とする微粒子センサ及び排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の微粒子センサは、内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出する微粒子センサであって、前記排ガスが流通する排気流通路と、前記排気流通路上に配置され、前記排気流通路を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を検出（捕捉）可能な検出フィルタと、前記検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、前記排気流通路上の前記検出フィルタの上流側に配置され、前記検出フィルタへの前記排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、前記開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、を備える微粒子センサである。

この態様の発明において、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気流通路の、微粒子を検出（捕捉）可能な検出フィルタの上流側には、その検出フィルタへの排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁が設けられている。開閉弁が開放されている場合は、排気流通路側から検出フィルタ側への排ガスの流通が許可されることで、検出フィルタに排ガスが導かれるが、開閉弁が閉じている場合は、排気流通路側から検出フィルタ側への排ガスの流通が禁止されることで、検出フィルタには排ガスが導かれない。従って、本発明によれば、検出フィルタが排ガスに晒される時期を開閉弁の閉じにより大幅に制限することができるので、検出フィルタに排ガス中のＰＭが堆積する速度を飛躍的に低くすることができる。このため、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省略することができる。

尚、上記した微粒子センサにおいて、前記弁制御手段は、定期的に前記開閉弁の開閉状態を切り替えることとしてもよい。

また、上記した微粒子センサおいて、前記弁制御手段は、内燃機関の運転状態及び前記排ガスの状態に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り替えることとしてもよい。

本発明の排ガス浄化装置は、上記した微粒子センサは、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気管（主排気ライン）上に配置され、前記排気管を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、前記微粒子捕捉フィルタの上流側から該微粒子センサへ、前記排気管を流通する前記排ガスの一部を導入する上流側排ガス導入手段と、前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタに堆積する微粒子の量を算出する微粒子堆積量算出手段と、を備える排ガス浄化装置である。

更に、本発明の別の排ガス装置は、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気管上に配置され、前記排気管を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、前記微粒子捕捉フィルタの下流側から該微粒子センサへ、前記排気管を流通する前記排ガスの一部を導入する下流側排ガス導入手段と、前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタの故障を診断するフィルタ故障診断手段と、を備える排ガス浄化装置である。なお、上記排ガス浄化装置は、上記微粒子センサを適用した排ガス浄化装置である。

本発明によれば、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことが可能となる。

本発明の一実施形態である排ガス浄化装置の全体構成図である。 図１の排ガス浄化装置の要部構成図である。 図２の排ガス浄化装置において開閉弁を駆動制御すべく実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。 本発明の別の実施形態である排ガス浄化装置の全体構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る排ガス浄化装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である排ガス浄化装置１０の全体構成図を示す。また、図２は、図１の排ガス浄化装置１０の要部構成図を示す。

本実施形態の排ガス浄化装置１０は、図１に示す如く、内燃機関（特にディーゼルエンジン）１２に接続する排気ライン１４上に設けられた、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１６及び微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）１８を備えている。ＤＯＣ１６は、内燃機関１２から排出される排ガス中に含まれる酸化され易い一酸化炭素や炭化水素などを除去するための触媒（触媒担体）である。また、ＤＰＦ１８は、内燃機関１２から排出される排ガス中に含まれる微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を捕捉可能なフィルタである。

本実施形態の排ガス浄化装置１０は、内燃機関１２から大気へ排出される排ガスを浄化するための装置であると共に、ＤＰＦ１８に破損などの故障が発生し、閾値以上の量のＰＭが排気ライン１４上でＤＰＦ１８下流側へ漏れ出した場合に、この故障を検出して、アラームやランプの点滅、点灯等を行うことができる装置である。排ガス浄化装置１０は、ＤＰＦ１８の故障を検出するための微粒子センサ２０を備えている。

図２に示す如く、排気ライン１４のＤＰＦ１８下流側には、大気に連通する主排気ライン（排気ライン１４）とは別に設けられた排ガス採取ライン２２が接続されている。この実施形態中の排ガス採取ライン２２(図２参照）及び１０４(図４参照）、主排気ラインは、請求の範囲の記載も含めて総称的に排気流通路と言うことがある。排ガス採取ライン２２は、主排気ラインから分岐されており、ＤＰＦ１８を通過した排ガスの一部が流入し得る。排ガス採取ライン２２は、主排気ラインの流路断面積よりも小さな流路断面積（例えば、主排気ラインの流路断面積の１／１００〜１／１０００程度）を有している。微粒子センサ２０は、排ガス採取ライン２２内に配設されており、排ガス採取ライン２２に流れる排ガス中のＰＭの濃度に基づいてＤＰＦ１８からのＰＭ漏れを判定する。

微粒子センサ２０は、排ガス採取ライン２２内に設けられた検出フィルタ２８及び差圧計３０により構成されている。尚、微粒子センサ２０は、更に流量計及び／又は温度測定部を含むように構成されていてもよい。排ガス採取ライン２２の下流端は、排ガス採取ライン２２の上流側の圧力よりも低い圧力を有する部位（例えば負圧タンクやエアインテーク部など）に接続されている。このため、ＤＰＦ１８を通過した主排気ライン中の排ガスの一部は、排ガス採取ライン２２側に吸引されて、検出フィルタ２８を通過する。

検出フィルタ２８は、内燃機関１２から排出される排ガス中に含まれるＰＭの濃度を算出するためのフィルタであって、ＰＭを捕捉して、ＰＭを検出することが可能である。検出フィルタ２８は、ＤＰＦ１８と同様の多孔質セラミックなどの材質により構成されており、円筒状に形成されている。検出フィルタ２８は、ＤＰＦ１８のスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有している。

差圧計３０は、排ガス採取ライン２２内における検出フィルタ２８の入口と出口との差圧（すなわち、上流側と下流側との圧力差）ΔＰに応じた電気信号を出力する機器であって、例えばダイヤフラム式やゲージ式、ベローズ式、熱式などの公知の圧力計などにより構成されている。差圧計３０には、マイクロコンピュータを主体に構成される演算部３２が電気的に接続されている。差圧計３０の出力はこの演算部３２に供給される。演算部３２は、差圧計３０の出力信号に基づいて、排ガス採取ライン２２内における検出フィルタ２８の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔＰを検出する。そして、その圧力差ΔＰの時間変化に基づいて排ガス中のＰＭ濃度を測定する。

また、排ガス採取ライン２２上には、電磁弁などからなる開閉弁３４が設けられている。開閉弁３４は、排ガス採取ライン２２上において排気ライン１４との分岐点から検出フィルタ２８までの間に配置されており、メインの排気ライン１４側から検出フィルタ２８側への排ガスの流通を許可・禁止するＯＮ／ＯＦＦ弁である。開閉弁３４は、マイクロコンピュータを主体に構成された演算部３２と電気的に接続されており、演算部３２からの指令に従って開閉する。具体的には、開閉弁３４は、演算部３２から開指令信号が供給される場合に排気ライン１４側から検出フィルタ２８側への排ガスの流通を許可し、一方、演算部３２から閉指令信号が供給される場合に排気ライン１４側から検出フィルタ２８側への排ガスの流通を禁止するように作動する。

次に、図３を参照して、本実施形態の排ガス浄化装置１０の動作について説明する。図３は、本実施形態の排ガス浄化装置において演算部３２が開閉弁を駆動制御すべく実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。

本実施形態において、内燃機関１２から排出された排ガスは、排気ライン１４を流通してＤＰＦ１８を通過した後、大気へ放出され、或いは、排ガス採取ライン２２内へ流入する。排ガス採取ライン２２内に流入した排ガスは、開閉弁３４が主排気ライン側から検出フィルタ２８側への排ガスの流通を禁止するように閉じている場合は、排ガス採取ライン２２の開閉弁３４下流側すなわち検出フィルタ２８側への流通が禁止されることとなる。一方、開閉弁３４が主排気ライン側から検出フィルタ２８側への排ガスの流通を許可するように開いている場合は、排ガス採取ライン２２の開閉弁３４下流側すなわち検出フィルタ２８側への流通が許可されることとなる。

検出フィルタ２８側への排ガスの流通が許可されると、その排ガスは、検出フィルタ２８に導かれる。排ガス中にＰＭが含まれている場合は、そのＰＭは、検出フィルタ２８に吸着されて堆積する。検出フィルタ２８でのＰＭの堆積状態が時間変化すると、排ガス採取ライン２２上での検出フィルタ２８前後の圧力差ΔＰが時間変化することとなる。

演算部３２は、開閉弁３４により検出フィルタ２８側への排ガスの流通を許可する状況において、差圧計３０の出力信号に基づいて、排ガス採取ライン２２内における検出フィルタ２８の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔＰを検出する。そして、その圧力差ΔＰの時間変化に基づいて検出フィルタ２８に検出される（捕捉される）ＰＭの量を算出して排ガス採取ライン２２に流れる排ガス中のＰＭの濃度を算出し、その算出したＰＭ濃度が閾値以上であるか否かに基づいてＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの有無を判定する。その判定の結果、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れが生じていることを判定すると、アラーム又はランプの点滅又はランプの点灯等を行う。従って、開閉弁３４により検出フィルタ２８側への排ガスの流通が許可される状況において、差圧計３０を用いてＤＰＦ１８下流側の排ガス中のＰＭ濃度を算出してＤＰＦ１８の故障有無を判定するので、その故障有判定時に排ガス浄化装置１０を搭載する車両等の運転者にその故障を知らせることが可能である。

尚、演算部３２は、開閉弁３４への開指令信号の供給を、常時ではなく定期的に行い或いは内燃機関１２が所定以上の高回転で運転している時に行うこととすればよい。具体的には、第１の所定期間（例えば内燃機関１２の運転中の５分〜２０分）ごとにその第１の所定期間よりも短い第２の所定期間（例えば１秒間〜３０秒間）だけ（ステップＳ１００の肯定判定時）、開閉弁３４へ開指令信号の供給を行い（ステップＳ１０２）、他の期間（ステップＳ１００の否定判定時）は開閉弁３４へ閉指令信号の供給を行う（ステップＳ１０４）。また或いは、内燃機関１２が２０００ｒｐｍ以上で運転している時（ステップＳ１００の肯定判定時）は、開閉弁３４へ開指令信号の供給を行い（ステップＳ１０２）、内燃機関１２が２０００ｒｐｍ未満で運転している時（ステップＳ１００の否定判定時）は開閉弁３４へ閉指令信号の供給を行う（ステップＳ１０４）。この場合、排気ライン１４から排ガス採取ライン２２を介した検出フィルタ２８への排ガスの流通は、常に許可される訳ではなく、開閉弁３２の開条件が成立するときにのみ許可されることとなる。

また尚、上記した開閉弁３４への開指令信号の供給を開始してから終了するまでの継続期間（上記した第２の所定期間など）は、少なくとも、演算部３２が排ガス採取ライン２２に流れる排ガス中のＰＭの濃度を算出して、そのＰＭ濃度に基づいてＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの有無を判定するのに最低限必要な時間に設定されるものであればよい。

このような排ガス浄化装置１０においては、検出フィルタ２８が排ガスに常に晒されるものに比べて、検出フィルタ２８が排ガスに晒される時期を開閉弁３４の閉じにより制限することができる。尚、検出フィルタ２８への排ガスの流通を許可する条件が緩和されたものであるほど（上記した第１の所定期間が短いほど或いは上記した第２の所定期間が長いほど）、その時期はあまり制限されず、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの判定を高頻度で行うことができるが、検出フィルタ２８への排ガスの流通を許可する条件が厳しいものであるほど（上記した第１の所定期間が長いほど或いは上記した第２の所定期間が短いほど）、その時期は大幅に制限されて相対的に短くなり、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの判定頻度を抑えることができる。

この点、本実施形態によれば、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの判定頻度を抑えてもよい場合は、上記した開閉弁３２の開条件を厳しく設定することで、検出フィルタ２８に排ガス中のＰＭが堆積する速度を飛躍的に低く抑えることができる。従って、検出フィルタ２８を長期間にわたって適正に作動させるうえで、堆積ＰＭを除去して検出フィルタ２８を再生させることを省くことが可能で、検出フィルタ２８に再生を施す再生機構を設けることを省くことが可能となっている。

このため、本実施形態においては、排ガス浄化装置１０の全体構成をコンパクトにすることができ、また、耐熱性を高める必要のある部品を削減することができ、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れを判定可能な排ガス浄化装置１０を低廉かつ簡易に構成することが可能となっている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

例えば、上記の実施形態においては、ＤＰＦ１８からのＰＭ漏れの判定と、開閉弁３４への開閉指令と、を同じ演算部３２を用いて行うこととしているが、それぞれ別の演算部を用いて行うこととしてもよい。

また、上記の実施形態においては、開閉弁３４の開を定期的に或いは内燃機関１２が所定以上の高回転で運転している時に行うものとしているが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、内燃機関１２の始動時やアイドル運転時には開閉弁３４を閉じかつ他の時には開閉弁３４を開とすることとしてもよいし、また、排ガスの温度を検出する温度センサを設け、排ガスの温度が所定以下に低い時には開閉弁３４を閉じかつ他の時には開閉弁３４を開とすることとしてもよい。更に、開閉弁３４の開を定期的に行いつつ内燃機関１２が所定以上の高回転で運転している時にも行うこととしてもよい。

更に、上記の実施形態は、主排気ラインのＤＰＦ１８下流側に接続する排ガス採取ライン２２を設け、その排ガス採取ライン２２内に微粒子センサ２０を配設して、その微粒子センサ２０に検出される（捕捉される）ＰＭの量に基づいてＤＰＦ１８からのＰＭ漏れを判定する排ガス浄化装置１０のシステムであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示す如く、排気ライン１４のＤＰＦ１８上流側に接続する排ガス採取ライン１０２を設け、その排ガス採取ライン１０２内に微粒子センサ１０４を配設して、その微粒子センサ１０４に検出（捕捉）されるＰＭの量に基づいて主排気ラインに流れる排ガス中のＰＭの濃度を測定し若しくはＤＰＦ１８に堆積するＰＭの量を測定する排ガス浄化装置１００のシステムに適用することとしてもよい。尚、この場合、排ガス採取ライン１０２は、上流側を排気ライン１４のＤＰＦ１８上流側に接続し、かつ、ガス採取ライン１０２の下流側を主排気ラインのＤＰＦ１８下流側に接続するものとしてもよい。

かかる変形例においても、排ガス採取ライン１０２上に排気ライン１４側から検出フィルタ側（図示していないが、微粒子センサ１０４内に存在する）への排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁１０６を設け、その開閉弁１０６の開閉を上記実施形態に記載されている適当なタイミングで指令する演算部を設けることとすれば、検出フィルタが排ガスに晒される時期を開閉弁１０６の閉じにより制限することができるため、上記した実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

１０，１００ 排ガス浄化装置
１２ 内燃機関
１４ 排気ライン
１８ ＤＰＦ
２０，１０４ 微粒子センサ
２２，１０２ 排ガス採取ライン
２８ 検出フィルタ
３０ 差圧計
３２ 演算部
３４，１０６ 開閉弁

Claims (5)

1. 内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出する微粒子センサであって、
   前記排ガスが流通する排気流通路と、
   前記排気流通路上に配置され、前記排気流通路を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を検出可能な検出フィルタと、
   前記検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、
   前記排気流通路上の前記検出フィルタの上流側に配置され、前記検出フィルタへの前記排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、
   前記開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする微粒子センサ。
2. 前記弁制御手段は、定期的に前記開閉弁の開閉状態を切り替えることを特徴とする請求項１に記載された微粒子センサ。
3. 前記弁制御手段は、内燃機関の運転状態及び前記排ガスの状態に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り替えることを特徴とする請求項１に記載された微粒子センサ。
4. 内燃機関から排出される排ガスが流通する主排気ライン上に配置され、前記主排気ラインを流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載された微粒子センサと、前記微粒子捕捉フィルタの上流側から前記微粒子センサへ前記排気流通路の一つである前記主排気ラインを流通する前記排ガスの一部を導入する上流側排ガス導入手段と、
   前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタに堆積する微粒子の量を算出する微粒子堆積量算出手段と、
   を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
5. 内燃機関から排出される排ガスが流通する主排気ライン上に配置され、前記主排気ラインを流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載された微粒子センサと、前記微粒子捕捉フィルタの下流側から前記微粒子センサへ前記排気流通路の一つである前記主排気ラインを流通する前記排ガスの一部を導入する下流側排ガス導入手段と、
   前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタの故障を診断するフィルタ故障診断手段と、
   を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。

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