JP2014092122A

JP2014092122A - 排気ガス浄化フィルタの粒子状物質蓄積量計測装置

Info

Publication number: JP2014092122A
Application number: JP2012244288A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Takahashi; 栄一高橋; Osamu Shinozaki; 修篠崎; Hirohide Furuya; 博秀古谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2014-05-19
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP6004431B2

Abstract

【課題】ＤＰＦに蓄積されたＰＭの捕集量を正確に評価することが可能である粒子状物質蓄積量計測装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気管１の途中に設置される、多孔質セラミックより成るＤＰＦ２に蓄積されたＰＭの量を、ＤＰＦに直接、乃至は間に断熱材、あるいは空間で隔てられて容器の外側に設置した発信器３により発生させた超音波をＤＰＦ本体に伝搬させ、伝搬してきた超音波を受信器４により計測し、超音波の検出信号の減衰時定数からＰＭの蓄積量を判定する粒子状物質蓄積量計測装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化するための排気ガス浄化フィルタの再生方法において、排気ガス浄化フィルタにより捕集された粒子状物質の蓄積量を正確に評価するための粒子状物質蓄積量計測装置に関する。

ディーゼルエンジンのパティキュレートフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ：以下、ＤＰＦという）は、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：以下、ＰＭという）を、その触媒が担持されたポーラス状のセラミックの壁を通過させ、それらを濾しとることによって排気ガスとＰＭを浄化する。しかし、そのＤＰＦによって捕集できるＰＭの量には限界があるため、定期的に自己発熱または通電等による外部加熱等によって高温状態にすることでＰＭを燃やす“再生動作”を必要とする。
この再生において、蓄積されたＰＭの量が多すぎると発生する熱応力に起因して、フィルタの破損につながることがある。一方、ＰＭの蓄積量を低く保つために必要以上の頻度の再生動作を行うことは、再生動作にはＤＰＦを高温にするための余分なエネルギーを必要とするため、燃費の低下につながる。そこで、ディーゼルエンジンの燃費の向上のためには、ＤＰＦの損傷の恐れの無い必要最低限の再生頻度を実現するためにその再生時期を正確に判定する必要があり、ＰＭの蓄積量を正確に計測しなければならない。

従来、ＤＰＦに蓄積しているＰＭの量の計測方法として、フィルタの上流側と下流側の圧力差（圧損）による評価（例えば、特許文献１参照）、コンピューターを用いて運転時間から蓄積されているＰＭの量を推測する方法（例えば、特許文献２参照）などが知られており、また、フィルタの上流側下流側の排気管内に音響源と音響受信器を設けることも試みられている（例えば、特許文献３参照）。
また、本発明者等は、超音波信号をＤＰＦに透過させ、その減衰量から蓄積しているＰＭの量を推測する方法を考案し、先に特許出願した（特許文献４参照）。しかしながら、自動車の運転状況によりＤＰＦ内部の温度などが急激に変化する場合、透過超音波信号はその影響を受けるため、ＰＭの蓄積量に透過超音波シグナルの減衰量が対応しない状況もあった。

特開２００５−０２３８８４号公報特開２００４−３１６４２８号公報特表２００５−５３８３０４号公報特願２０１１−１２５０８０号

前出願特許では、透過信号の減衰によってＰＭの蓄積量を評価する方法を考案したが、アイドリング運転などの定常状態における評価を行う場合以外の、実際の自動車の運転状態など変動が大きい場合では、ＤＰＦ内部の温度変化などに応じてシグナル強度も変化してしまうため、ＰＭ蓄積量の評価において問題が生じる。本発明は、上記の問題点を解決し、ＤＰＦに蓄積されたＰＭの蓄積量を様々な条件下で行うことができる評価法を実現した粒子状物質蓄積量計測装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の粒子状物質蓄積量計測装置では、排ガス浄化装置の粒子状物質蓄積量を計測する際に、排気管途中に多孔質セラミックで構成されるＤＰＦを接続し、そのＤＰＦに超音波を伝搬させるための発信器、および受信器を設け、ＤＰＦ本体内を伝搬したパルス状の超音波の減衰時定数から蓄積されたＰＭの量を評価することを特徴とする。
すなわち、本発明の粒子状物質蓄積量計測装置は、ディーゼルエンジンに装備される排気ガス浄化装置の粒子状物質蓄積量計測装置であって、排気管途中に接続した多孔質セラミックで構成されるＤＰＦと、ＤＰＦ外側等に設けられた超音波を伝搬させるための超音波発信器および超音波を受信するための超音波受信器と、超音波受信器の検出信号を処理する制御装置を備え、前記制御装置はＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数からＤＰＦ内に蓄積されたＰＭの量を評価する。
また、本発明は、上記粒子状物質蓄積量計測装置において、制御装置によるＤＰＦ内に蓄積されたＰＭの量の評価は、ＰＭ未蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数と、ＰＭ蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数とを比較し、求めた減衰時定数が一定値を下回った場合にＤＰＦ再生動作が必要であると判定することを特徴とする。

本発明の粒子状物質蓄積量計測装置によれば、自動車の運転状況により変化するＤＰＦ内部温度の影響を超音波の減衰時定数は受けにくく、定常状態だけでは無く、より変動の多い運転状態においてもＰＭ蓄積量を正確に測定できるので、ＤＰＦの再生頻度を必要最低限とすることで、燃費の向上に資することができる。また、ＤＰＦの外側に超音波発信器・超音波受信器を設けＤＰＦ本体を伝搬してきた超音波を検出する簡単な構成で正確なＰＭ蓄積量を検出でき、さらに排気ガス雰囲気中にセンサ部分が存しないので劣化の恐れがなく、後付けによる計測も可能である。

本発明の粒子状物質蓄積量計測装置を備えた排気ガス浄化装置の一例を説明した図である。図中の右側の図が、排気管の軸方向の断面図（ＤＰＦの排気ガスの入出力方向、すなわち縦方向断面図）を表し、左側の図が排気管の軸に直交する断面図（ＤＰＦのセルが束ねられている方向、すなわち横方向断面図）を表す。ディーゼル自動車の排気管にＤＰＦを取り付け、エンジンを運転してＰＭの蓄積を行うと同時に、図１の装置を用いて検出された、ディーゼル自動車のエンジンを高回転状態、あるいはアイドル運転状態において、ＰＭの蓄積量が異なる場合の透過超音波信号波形の一例を示した図である。ＰＭの蓄積量に対する、透過超音波の減衰時定数の変化。

本発明の粒子状物質蓄積量計測方法を実施するための排気ガス浄化装置の一例を図１に示す。ＤＰＦはハニカム状の多孔質セラミック等により構成され、隔壁によって区画された複数の細長いセル（図では細長いセルは四角柱状であるが、六角柱状など他の形状であってもよい）より成る。ディーゼルエンジンからの排気ガスはＤＰＦのセル内部に導入される。各セルの端部は目止めが施されており、排気ガスは必ず隔壁内部の微細な気孔を通じて排出される様になっている。従って、ＰＭはこの隔壁の表面、あるいは気孔内部に蓄積される。ハニカム構造を構成する各セル出入り口のサイズは一般には数ミリメートルである。以後、ＤＰＦにおいて排気ガスの入出力方向を縦方向、セルが束ねられている方向を横方向と呼ぶ。
ＤＰＦ内部において超音波は基本的には隔壁中を伝搬する。排気ガスに含まれるＰＭが隔壁の表面あるいは気孔によって捕集され蓄積されると、超音波は減衰を受けるが、ＤＰＦ内部の温度が変化すると、ＤＰＦ内部の揮発成分、固形成分の割合も変化するため、透過シグナルの振幅が影響を受ける。

超音波をＤＰＦ内部に伝搬させるために、超音波発信素子をＤＰＦ本体に超音波が伝搬する様に設置する。
超音波発信素子と受信素子のＤＰＦの設置場所によって、縦方向を伝搬する超音波や、ＤＰＦ内部からの反射波などが計測できるが、本発明による１つの実施形態によれば横方向の対称位置に設置することで、ハニカム構造を伝搬する超音波の減衰が評価される。
発信する超音波の波形はＰＭの蓄積によって減衰を受ける周波数帯域を含めば、正弦波またはパルス状も用いることができる。パルス状の超音波を用いることで、期待するＤＰＦ内部を伝搬した超音波成分以外のシグナルを到達時間から分離することができる。
制御装置は超音波発信器に必要な電気信号を送るとともに、受信器からのシグナルを適切に処理し、ＰＭの蓄積量として出力する機能を有する。

図１に示した排ガス浄化装置の一例に基づいて、本発明の粒子状物質蓄積量計測装置を説明する。図において、１は排気管、２は多孔質セラミックより成るＤＰＦ、３は超音波発信器、４は超音波受信器、５は超音波発信器３から超音波を発信し超音波受信器４で受信した検出信号を処理して、信号の減衰時定数からＰＭ蓄積量を計測する制御装置である。
なお、図１では超音波発信器３及び超音波受信器４は多孔質セラミック２の本体に直接設けられているが、超音波の検出感度が十分であれば、間に断熱材、あるいは空間で隔てられていても支障はない。
ディーセルエンジンからの排気ガスは排気管１を通ってＤＰＦ２に流入する。ＤＰＦ２本体に直接、あるいは適切な遅延材を介して超音波発信器３が設置される。図１ではＤＰＦ２内のハニカム構造を横方向に伝搬している。ＰＭの蓄積により減衰した超音波は、同様に接して設置された超音波受信器４によって検出される。超音波発信器に対して制御装置５より電気信号が供給され、超音波受信器からの検出信号は再び制御装置に入力され、増幅やフィルタ処理など適切な信号処理の上、蓄積されたＰＭの量を評価する。

図２にこの配置を用いてＰＭの蓄積、およびエンジンの運転状態に応じたＤＰＦを横方向に透過した信号波形の変化を示す。本実施例では容器側面に超音波発信器３および受信器４を設置した。横軸は時間、縦軸はシグナル強度の相対値を表している。図中の各波形は、波形の比較の為に縦軸をずらして描かれている。入射した超音波は図２において時刻０秒に入射されている。下側の波形の２つ（そのうちの下が高回転時、上がアイドリング運転時）は蓄積実験の初期におけるもので、上側２つ（そのうちの下が高回転時、上がアイドリング運転時）は後期における波形を示している。それぞれ、エンジンの運転状態が変化するとＤＰＦの内部温度などが変化するため、ＰＭの蓄積量がほとんど同じでも、高回転時の振幅はアイドリング運転時の振幅よりも小さくなっていることがわかる。しかし、ＰＭの蓄積に伴い、減衰の時定数は初期に比べて後期は短くなっている。
図３にその減衰時定数とＰＭの蓄積量を表したグラフを示す。ＰＭの蓄積量は途中でＤＰＦを外して重量を計測すること、およびエンジンの運転状況の履歴から見積もった。エンジンの運転状況に関わらず、ＰＭの蓄積量に応じてシグナルの減衰時定数が短くなっていることがわかる。したがって、ＤＰＦ内に蓄積されたＰＭの量の評価は、エンジンの運転状況に関わらず、ＰＭ未蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数と、ＰＭ蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数とを比較し、求めた減衰時定数が一定値を下回った場合にＤＰＦ再生動作が必要であると判定することができる。また、透過超音波シグナルは様々な周波数成分を含むため、減衰時定数の算出のために周波数帯域を選択することも可能である。

Claims

ディーゼルエンジンに装備される排気ガス浄化装置の粒子状物質蓄積量計測装置であって、排気管途中に接続した多孔質セラミックで構成されるＤＰＦと、ＤＰＦ外側等に設けられた超音波を伝搬させるための超音波発信器および超音波を受信するための超音波受信器と、超音波受信器の検出信号を処理する制御装置を備え、
前記制御装置はＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数からＤＰＦ内に蓄積されたＰＭの量を評価する粒子状物質蓄積量計測装置。
前記制御装置によるＤＰＦ内に蓄積されたＰＭの量の評価は、ＰＭ未蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数と、ＰＭ蓄積時のＤＰＦ本体内を伝搬した超音波の検出信号の減衰時定数とを比較し、求めた減衰時定数が一定値を下回った場合にＤＰＦ再生動作が必要であると判定することを特徴とする請求項１記載の粒子状物質蓄積量計測装置。