JP2013117204A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排気管に配設されて排気微粒子（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の再生時期を高精度に決定する。
【解決手段】ＤＰＦ１４の円形流路断面における直交する２本の直径方向に各検出部（開口）を配置させて、複数本の全圧検出管２０を配設すると共に、ＤＰＦ１４のケース壁内面に近接して排気流と平行な開口を有する１本の静圧検出管２４を配設し、全圧センサ２２及び静圧センサ２６によって各検出部における排気流の全圧Ｐｎと静圧Ｐ０とを検出し、これら全圧Ｐｎと静圧Ｐ０の差圧（動圧）に基づいて、各検出位置における排気流速Ｖｎを算出し、該排気流速Ｖｎに基づいて推定されるＤＰＦのＰＭ捕集量を限界捕集量と比較することによって、ＤＰＦ１４の再生時期を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気管に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）により、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する排気浄化装置に関し、特に、ＤＰＦの再生時期を高精度に決定する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気浄化を目的として、排気管に配設されたＤＰＦにより排気中のＰＭを捕集除去する排気浄化装置が公知である。
かかる排気浄化装置においては、ＰＭ捕集によりＤＰＦに目詰まりが発生するので、ＤＰＦに捕集したＰＭを適宜焼却する再生処理が行われる。該再生処理を行う時期（再生時期）の決定として、従来、ＰＭ捕集量の増大に応じて増大するＤＰＭ前後差圧がしきい値以上となったときに再生時期に達したと判定する方式が一般的である。

しかし、上記方式では、ＤＰＭ全体のＰＭが平均して除去されないと、フィルタ内の一部に排気の流通し易い部分ができてしまい、他の部分にＰＭが多量に捕集されても、その捕集量に見合った前後差圧の上昇が得られず、再生時期の検出が遅れてしまう可能性がある。特にオープンハニカム等のような比較的捕集効率の低いＤＰＦでは、もともと前後差圧が発生しにくいため、前後差圧に基づいて再生時期を的確に検出することが困難であった。

かかる問題に対処するものとして、特許文献１では、ＤＰＦの下流側にベンチュリ部を有した目詰り管を配設した構成としている。
すなわち、ＤＰＦへのＰＭ捕集量が増大するとＤＰＦ下流側へのＰＭ流出量が増大し、目詰り管にＰＭの目詰りが生じる。該目詰まりによりベンチュリ部の負圧が低下するので、この負圧の低下率がしきい値を超えたときに、ＤＰＭの捕集量が所定以上に増大したと判断してＤＰＭの再生時期に達したと決定している。

特開平５−１０６４２６号公報

しかしながら、特許文献１の方式では、目詰まり管に目詰まりするＰＭの量が、目詰まり管上流のＤＰＦへのＰＭ捕集量との相関の精度を良好に確保できるのか疑問であり、また、目詰まり管へのＰＭの目詰まりの形態によって、ベンチュリ部の検出負圧が相違することも考えられ、ＤＰＦ再生時期を必ずしも的確に決定できるものではなかった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ＤＰＦの流路断面の所定位置におけるＰＭ捕集量を精度良く推定して、ＤＰＦ再生時期を的確に決定することを目的とする。

このため本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化処理装置は、
排気管に配設され、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、ディーゼルパティキュレートフィルタの排気下流における排気流に垂直な断面の所定位置における動圧を検出する動圧検出手段と、動圧検出手段で検出した動圧に基づいて、前記所定位置における排気流速を算出する排気流速算出手段と、排気流速算出手段によって算出された前記所定位置における排気流速に基づいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量を推定するＰＭ捕集量推定手段と、推定したＰＭ捕集量に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を決定する再生時期決定手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

ＤＰＦに捕集されたＰＭは、再生時に外気温度の影響を受けやすく中心部に比較して低温な周辺部に残留しやすいことなどにより、周辺部が中心部より多くなる傾向がある。これにより、ＤＰＦ下流側における排気の流速は中心部で大きく周辺部で小さくなる速度分布となる。

そこで、ＤＰＦ下流の排気流の排気流に垂直な断面の所定位置における動圧を検出することによって、該所定位置における排気流速を算出し、該排気流速に基づいて、ＤＰＦへのＰＭ捕集量を推定することができる。そして、該推定されたＰＭ捕集量に基づいて、ＤＰＦの再生時期を的確に決定することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の第１の実施形態を示す一部拡大縦断面図及び横断面図 同上実施形態におけるＤＰＦ再生時期決定フローを示すフローチャート ＤＰＦ再生時期決定に使用される排気流量毎の各検出位置における排気流速とＰＭ捕集量との関係を示すマップ 第２の実施形態を示す一部拡大縦断面図及び横断面図 第３の実施形態を示す一部拡大縦断面図及び横断面図

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の第１の実施形態を示す。
ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールドに接続される排気管１２には、ＤＰＦ１４が配設される（図では、ＤＰＦ１４を拡大して示してある）。

ＤＰＦ１４は、セラミックスなどの多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行に延びるセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされて形成されたものである。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して、入口が塞がれている隣接セルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁の多孔性部材により捕集されて排気が浄化される。

本第１の実施形態では、ＤＰＦ１４の円形流路断面における直交する２本の直径方向に各検出部（開口）を配置させて、複数本（図では１７本）の全圧検出管２０を配設する。
各全圧検出管２０は、排気流に対向する開口を有し、該開口に加わる排気流の全圧を取り出すことができる。各全圧検出管２０の下流部は直角に屈曲されてＤＰＦ１４のケース壁を貫通し、下流端に接続されたそれぞれの全圧センサ２２によって各検出位置（開口位置）に対応した全圧が検出される。

一方、ＤＰＦ１４のケース壁内面に近接して排気流と平行な開口を有する１本の静圧検出管２４を配設する。静圧検出管２４の下流端に接続された静圧センサ２６により、静圧検出管２４内に取り出された排気流の静圧が検出される。

これら各全圧センサ２２からの全圧検出値Ｐｎ（ｎ＝１，２ａ〜５ａ，・・・２ｄ〜５ｄ）及び静圧センサ２６からの静圧検出値Ｐ０は、コントロールユニット２８に入力され、コントロールユニット２８は、これら各検出値に基づいて、後述する各種演算を行ってＤＰＦ１の再生時期を決定する。

図２は、上記第１の実施形態におけるコントロールユニット２によるＤＰＦ１４の再生時期決定制御のフローを示す。
ステップＳ１では、上記各全圧センサ２２から検出された各位置の全圧Ｐｎと、静圧センサ２６によって検出された静圧Ｐ０とを用いて次式により、各位置の排気流速Ｖｎ（ｎ＝１，２ａ〜５ａ，・・，２ｄ〜５ｄ）を算出する。

Ｖｎ＝［２／ρ×（Ｐｎ−Ｐ０）］^１／２
ただし、ρは排気密度である。なお、後述するように、全圧Ｐｎと静圧Ｐ０との差圧（動圧）を直接検出するセンサからの動圧検出値を用いることもできる。

ここで、排気流速Ｖｎは排気流量Ｑｅによっても変化するが、ここでは、基準の排気流量に対する排気流速Ｖｎを算出する。排気密度ρは、前記基準排気流量に対応する値を用い、排気流量変化に対してこの値を補正した値を用いてもよいが、排気流量変化に対する密度変化は小さいので簡易的には、一定値のままとして用いてもよい。

ステップＳ３では、図示しない吸気管に配設されたエアフローメータ３０によって検出される吸入空気流量Ｑａ等に基づいて排気流量Ｑｅを算出する。例えば、簡易的には、吸入空気流量Ｑａ≒排気流量Ｑｅとしてもよいが、燃料噴射量をガス流量Ｑｇとして算出し、該ガス流量を吸入空気流量Ｑａに加算して排気流量Ｑｅ（＝Ｑａ＋Ｑｇ）を算出するような方法としてもよい。

ステップＳ４では、ステップＳ２で算出した基準排気流量における各検出位置での排気流速Ｖｎと、ステップＳ３で算出した排気流量Ｑｅとに基づいて、図３に示すマップからの検索によって、各検出位置の排気流速Ｖｎに基づき推定されるＰＭ捕集量Ｃｎを算出する。

ここで、上記マップは、予め想定された排気流路断面におけるＰＭ捕集量の分布状態に対応する同断面での排気流速分布に基づいて、各検出位置での排気流速ＶｎとＰＭ捕集量Ｃｎとの関係を設定してある。

また、同一のＰＭ捕集量であっても排気流量が大きい（小さい）ときは、各検出位置での排気流速は大きくなる（小さくなる）ので、排気流量を変化させつつ実験ないしシミュレーション等によって排気流速−ＰＭ捕集量の関係を求め、排気流量毎にマップを設定してある。

ステップＳ５では、前記各検出位置の排気流速Ｖｎから推定されるＰＭ捕集量と、ＤＰＦ１４の再生時期決定用の限界捕集量Ｃｌとを比較し、いずれかの検出位置で推定されたＰＭ捕集量Ｃｎが限界捕集量Ｃｌに達したかを判定する。

ステップＳ５でいずれかの検出位置で推定されたＰＭ捕集量Ｃｎが限界捕集量Ｃｌに達したと判定されたときから所定時間ｔｌが経過したかを判定し、所定時間を経過後に、ＤＰＦ１４が再生時期に達したと判定し、再生処理を開始する。

所定時間ｔｌの経過を待って再生時期を決定することにより、ノイズ等による一時的な結果に基づく決定を回避し、決定精度を高めることができる。
このように、ＤＰＦ１４下流の検出位置における排気流速Ｖｎに基づいて推定したＰＭ捕集量ＣｎによってＤＰＦ１４の再生時期を決定することにより、従来のＤＰＦ上・下流の差圧等から推定したＰＭ捕集量によって再生時期を決定する方式、あるいは目詰まり管を用いた方式等と比較して高精度にＰＭ捕集量を推定しつつ、的確に再生時期を決定することができる。

ここで、上記マップ設定に用いた予め想定されたＰＭ捕集量分布に従って捕集が進行する場合には、各検出位置での排気流速がそれぞれの設定流速値以下となったときに推定される各ＰＭ捕集量Ｃｎが、略同時に再生時期決定用の限界値Ｃｌに達することとなる。したがって、この場合には、検出位置は１箇所でよいこととなる。しかし、捕集量分布が変化することも考えられ、その場合、本実施形態のように、複数の異なる位置で検出した排気流速Ｖｎに基づいて複数のＰＭ捕集量Ｃｎを推定することによって、限界捕集量Ｃｌに達したことを、より正確に検出して再生時期を決定することが可能となる。

例えば、実際のＰＭ捕集量は再生を開始すべき限界捕集量に達している場合に、ある検出位置での排気流速に基づいて算出したＰＭ捕集量は限界捕集量に達していなくても、他の検出位置での排気流速に基づいて算出したＰＭ捕集量が先に限界捕集量に達して再生時期を決定することができる。

但し、再生時期決定の方式は上記方式に限定されない。例えば、所定数以上の検出位置で推定されたＰＭ捕集量が限界捕集量に達したときに再生時期を決定するような方式としてもよい。また、例えば、中心部（周辺部）で検出された排気流速に基づき推定されるＰＭ捕集量が早めに限界捕集量に達する結果が継続するような場合には、予め想定されたＰＭ捕集量分布に比較し、中心部（周辺部）での捕集量が大きい分布状態に変化したと推定され、実際の限界捕集量より少ない捕集量で再生時期が決定される可能性があると考えられる。そこで、このような場合には、中心部（周辺部）で検出された排気流速に基づき推定されるＰＭ捕集量と比較される限界捕集量を、他の検出位置で検出された排気流速に基づき推定されるＰＭ捕集量と比較される限界捕集量より大きめに補正するような学習処理を行うことも可能である。その他、複数位置での検出結果を用いて、より的確に再生時期を決定できる様々の方式の応用が考えられる。

なお、複数位置で検出することでいずれかの位置での検出に支障（センサの故障等）を来たしたときでも、他の検出位置での検出結果に基づいて再生時期を決定できる利点もある。

図４は、第２の実施形態を示し、複数（図では５個）の排気流速検出位置（全圧検出位置）を１個の半径方向に限定したものである。排気流路断面における排気流速分布は、中心軸周りに略対称と考えられるので、より少ない検出位置数、即ち、より少ない全圧検出管２０及び全圧センサ２２の設置数で、第１実施形態と同様、十分的確に再生時期を決定することができ、より低コストで実施できる。これら各全圧センサ２２からの全圧検出値Ｐｎ（ｎ＝１〜５）及び静圧センサ２６からの静圧検出値Ｐ０に基づいて、コントロールユニット２８が、図２のフロー等を用いてＤＰＦ１４の再生時期を決定することは第１の実施形態と同様である。

図５は、第３の実施形態を示し、排気流速検出位置を流路断面の周辺部にのみ（本実施形態では１箇所）設定し、コントロールユニット２８が該周辺部で検出された排気流速（Ｖ５）のみに基づいて推定されたＰＭ捕集量（Ｃ５）が限界値Ｃｌに達したときに再生時期として決定する構成としたものである。

基本的には、ＤＰＦ１４において、予め想定した捕集量分布に対して差ほど大きな分布状態の変化なく捕集が進行すると考えられ、また、周辺部は中心部に比較して捕集量が多く、全ＰＭ捕集量に占める割合が大きい。したがって、少ない位置で排気流速を検出する場合には、周辺部の捕集量による影響が大きい周辺部の排気流速に基づいてＰＭ捕集量を推定する方が精度よく推定することができ、該推定されたＰＭ捕集量に基づいてＤＰＦの再生時期を的確に決定することができる。

コントロールユニット２８による再生時期決定のフローは、図２と同様であり、ステップ４で周辺部（１個）のみで検出された排気流速（Ｖ５）に基づいて推定されたＰＭ捕集量が限界捕集量に達したときにステップ５へ進む点のみが相違する。

本実施形態によれば、必要最小限の検出位置数、即ち、全圧検出管２０及び全圧センサ２２の設置数（最低１個ずつ）で、的確に再生時期を決定することができ、最も低コストで実施できる。

また、以上示した実施形態では、全圧検出管２０と静圧検出管２４とを別個に設置したものを示したが、静圧検出管の外側に全圧検出管を２重管構造とした構造、さらには、該構造において、末端で全圧と静圧との差圧を動圧として直接検出するセンサを配設した周知のピトー管式検出構造を用いてよい。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１０ ディーゼルエンジン
１２ 排気管
１４ ＤＰＦ
２０ 全圧検出管
２２ 全圧センサ
２４ 静圧検出管
２６ 静圧センサ
２８ コントロールユニット
３０ エアフローメータ

Claims (5)

1. 排気管に配設され、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの排気下流における排気流に垂直な断面の所定位置における動圧を検出する動圧検出手段と、
   前記動圧検出手段で検出した動圧に基づいて、前記所定位置における排気流速を算出する排気流速算出手段と、
   前記排気流速算出手段によって算出された前記所定位置における排気流速に基づいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタのＰＭ捕集量を推定するＰＭ捕集量推定手段と、
   前記推定したＰＭ捕集量に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を決定する再生時期決定手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. エンジンの排気流量を検出する排気流量検出手段を含み、
   前記排気流速算出手段は、前記動圧と、前記排気流量検出手段によって検出された排気流量とに基づいて、前記所定位置における排気流速を算出することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 前記所定位置は、前記排気流に垂直な断面の中心部からの距離が相違する複数箇所に設定され、これら複数箇所毎にそれぞれの排気流速に基づいて推定した複数のＰＭ堆積量に基づいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記所定位置は、前記排気流に垂直な断面の周辺部にのみ設定され、該周辺部の排気流速に基づいて推定した前記ＰＭ堆積量に基づいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 前記動圧検出手段は、前記所定位置に排気流上流側に向かって開口する全圧検出管を介して検出される全圧と、排気流と平行に開口する静圧検出管を介して検出された排気流の静圧との差圧（＝全圧−静圧）を、前記所定位置における動圧として検出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。