JP2015075006A - 排気浄化システム - Google Patents

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正 内山
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Abstract

【課題】排気浄化システムに関し、DPFのPM堆積量を高精度に検出する。
【解決手段】エンジン10の排気通路12に設けられたDOC21と、DOC21よりも下流側の排気通路12に設けられて排気中のPMを捕集する前段DPF22及び後段DPF23と、前段DPF22の静電容量を検出する電極27と、電極27から入力される静電容量に基づいて、少なくとも後段DPF23のPM堆積量を推定するPM堆積量推定部51と、PM堆積量推定部51から入力されるPM堆積量が所定量を超えると、DOC21に燃料を噴射して、少なくとも後段DPF23に堆積したPMを燃焼除去する強制再生を実行する強制再生制御部53とを備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、排気浄化システムに関し、特に、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備える排気浄化システムに関する。
ディーゼルエンジンから排出される排気中の粒子状物質(Particulate Matter、以下、PM)を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ(Diesel Particulate Filter、以下、DPF)が知られている。
DPFは、PM捕集量に限度があるため、堆積したPMを定期的に燃焼除去するいわゆる強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒(Diesel Oxidation Catalyst:以下、DOC)に未燃焼の炭化水素(HC)を供給して酸化させ、排気温度をPM燃焼温度まで上昇させることで行われる。
DPFに捕集されたPM堆積量を検出する技術としては、例えば、DPFの前後差圧に基づいて推定する手法や、DPF内に設けた電極間の静電容量から推定する手法等が知られている(例えば、特許文献1,2参照)。
特開2011−247145号公報 特開2009−97410号公報
ところで、DPFの前後差圧に基づいてPM堆積量を推定する手法では、特に排気流量が低下する運転領域で感度が落ちるため、PM堆積量を正確に推定できない課題がある。一方、電極間の静電容量から推定する手法では、運転状態等の影響を受けることなくPM堆積量を推定することが可能である。しかしながら、電極の寸法や配置等をDPFのセル形状やピッチ等に応じて個別に設定する必要があるため、DPFの仕様等に柔軟に対応できない課題がある。
本発明の目的は、DPFのPM堆積量を高精度に検出すると共に、DPFの仕様等に柔軟に対応することができる排気浄化システムを提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気通路に設けられて排気中の粒子状物質を捕集する一対の第1及び第2のフィルタと、前記第1のフィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、少なくとも前記第2のフィルタの粒子状物質堆積量を推定する堆積量推定手段と、前記堆積量推定手段から入力される粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して、少なくとも前記第2のフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段とを備えることを特徴とする。
また、前記第1のフィルタ及び前記第2のフィルタを前記排気通路内に排気流れ方向に沿って直列に配置してもよい。
また、前記酸化触媒よりも下流側の排気通路から分岐して、前記第2のフィルタを迂回するバイパス通路をさらに備え、前記第1のフィルタを当該バイパス通路に配置してもよい。
また、前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記第1のフィルタの内部温度を推定する内部温度推定手段と、強制再生時のフィルタ目標温度と、前記内部温度推定手段から入力される内部温度との温度差に基づいて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段とをさらに備えてもよい。
また、前記静電容量検出手段が、前記第1のフィルタ内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対以上の電極で構成されてもよい。
本発明の排気浄化システムによれば、DPFのPM堆積量を高精度に検出すると共に、DPFの仕様等に柔軟に対応することができる。
本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 本実施形態のECUを示す機能ブロック図である。 (a)は本実施形態の前段堆積量マップの一例、(b)は本実施形態の前段−後段堆積量相関マップの一例を示す図である。 本実施形態の温度特性マップの一例を示す図である。 本実施形態の噴射量補正マップの一例を示す図である。 本実施形態の制御内容を示すフローチャートである。 電極間の静電容量と排気温度センサのセンサ値とを比較したグラフを示す図である。 他の実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1に示すように、ディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)10には、吸気マニホールド10aと排気マニホールド10bとが設けられている。吸気マニホールド10aには新気を導入する吸気通路11が接続され、排気マニホールド10bには排気を大気に放出する排気通路12が接続されている。
吸気通路11には、吸気上流側から順に、エアクリーナ13、MAFセンサ14、過給機15のコンプレッサ15a、インタークーラ16等が設けられている。排気通路12には、排気上流側から順に、過給機15のタービン15b、排気後処理装置20等が設けられている。
排気後処理装置20は、触媒ケース20a内に排気上流側から順に、DOC21と、測定用の前段DPF22と、後段DPF23とを配置して構成されている。また、DOC21の排気上流側には排気管内噴射装置25が設けられている。
排気管内噴射装置25は、本発明のフィルタ再生手段の一部であって、電子制御ユニット(以下、ECU)50から入力される指示信号(パルス電流)に応じて、排気通路12内に未燃燃料(主にHC)を噴射する。なお、エンジン10の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置25を省略してもよい。
DOC21は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気流れ方向に沿って配置して構成されている。DOC21は、排気管内噴射装置25又はポスト噴射によってHCが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
測定用の前段DPF22は、本発明の第1のフィルタの一例であって、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気流れ方向に沿って配置して形成されており、排気中のPMを隔壁の細孔や表面に捕集するように構成されている。この前段DPF22の排気流れ方向(軸方向)の長さは、後段DPF23よりも短く形成されている。
また、本実施形態の前段DPF22には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する複数本の電極27が設けられている。電極27の外周面は、耐腐食性の絶縁層(不図示)で被覆されている。これら複数本の電極27は、図示しない静電容量検出回路を介してECU50に電気的に接続されている。複数本の電極27及び静電容量検出回路(不図示)は、本発明の静電容量検出手段の一例として好ましい。
後段DPF23は、本発明の第2のフィルタの一例であって、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気流れ方向に沿って配置すると共に、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。後段DPF23は、排気中のPMを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、PM堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置25又はポスト噴射によってDOC21に未燃燃料(HC)を供給し、前段DPF22及び後段DPF23に流入する排気温度をPM燃焼温度(例えば、約500〜600℃)まで昇温することで行われる。
ECU50は、エンジン10や排気管内噴射装置25等の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。
また、ECU50は、図2に示すように、PM堆積量推定部51と、DPF内部温度推定部52と、強制再生制御部53と、噴射量補正部54とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるECU50に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
PM堆積量推定部51は、本発明の堆積量推定手段の一例であって、前段DPF22に設けられた電極27間の静電容量Cに基づいて、後段DPF23に捕集されたPM堆積量(以下、後段堆積量PMDW_DEP)を推定する。一般的に、電極27間の静電容量Cは、電極27間の媒体の誘電率ε、電極27の面積S、電極27間の距離dとする以下の数式1で表される。
Figure 2015075006
数式1において、電極27の面積S及び距離dは一定であり、電極27間にPMの堆積が進むと、誘電率ε及び距離dが変化することで静電容量Cも変化する。すなわち、電極27間の静電容量Cを検出すれば、前段DPF22に捕集されたPM堆積量(以下、前段堆積量PMUP_DEP)を演算することができる。
ECU50には、予め実験等により求めた電極27間の静電容量Cと前段堆積量PMUP_DEPとの関係を示す前段堆積量マップ(例えば、図3(a)参照)及び、前段堆積量PMUP_DEPと後段堆積量PMDW_DEPとの関係を示す前段−後段堆積量相関マップ(例えば、図3(b)参照)がそれぞれ記憶されている。PM堆積量推定部51は、前段堆積量マップから電極27間の静電容量Cに対応する値を読み取ることで前段堆積量PMUP_DEPを推定すると共に、前段−後段堆積量相関マップから前段堆積量PMUP_DEPに対応する値を読み取ることで、後段堆積量PMDW_DEPを推定するように構成されている。なお、これら前段堆積量PMFR_DEP及び、後段堆積量PMRE_DEPの推定はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。
DPF内部温度推定部52は、本発明の内部温度推定手段の一例であって、電極27間の静電容量Cに基づいて、前段DPF22の内部温度(以下、前段DPF内部温度TUP_DPF)を演算する。上述の数式1において、誘電率εが排気温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Cも変化する。すなわち、電極27間の静電容量Cを検出すれば、前段DPF内部温度TUP_DPFを演算することができる。
ECU50には、予め実験等により求めた静電容量Cと前段DPF内部温度TUP_DPFとの関係を示す温度特性マップ(例えば、図4参照)が記憶されている。DPF内部温度推定部52は、この温度特性マップから電極27間の静電容量Cに対応する値を読み取ることで前段DPF内部温度TUP_DPFを推定するように構成されている。なお、前段DPF内部温度TUP_DPFの推定はマップに限定されず、予め実験等により作成した近似式等から求めてもよい。
強制再生制御部53は、本発明のフィルタ再生手段の一例であって、PM堆積量演算部51から入力される後段堆積量PMRE_DEPに基づいて強制再生を制御する。より詳しくは、強制再生制御部53は、後段堆積量PMRE_DEPが後段DPF23に捕集可能なPMの上限堆積量PMMAXを超えると(PMRE_DEP>PMMAX)、排気管内噴射装置23に所定量の排気管内噴射を実行させて強制再生を開始する。この強制再生時の排気管内噴射量は、後述する噴射量補正部54によって必要に応じて補正される。
噴射量補正部54は、DPF内部温度推定部52から入力される前段DPF内部温度TFR_DPFと、後段DPF23内のPMを略完全に燃焼除去させる目標温度TTARGTとの温度差ΔTに基づいて、強制再生時の燃料噴射量を補正する。より詳しくは、ECU50には、予め実験等により求めた温度差ΔTと、この温度差ΔTを補うのに必要な噴射補正量ΔINJとの関係を示す噴射量補正マップ(例えば、図5参照)が記憶されている。強制再生時の排気管内噴射量INJQ_exhは、噴射量補正マップから温度差ΔTに応じた噴射補正量ΔINJを読み取ると共に、読み取った噴射補正量ΔINJを基本噴射量INJQ_stdに加算もしくは減算することで設定される(INJQ_exh=INJQ_std+/−ΔINJ)。補正後の燃料噴射は、排気管内噴射装置25のインジェクタに印加される各噴射の通電パルス幅を増減させるか、あるいは噴射回数を増減することで実行される。
次に、図6に基づいて、本実施形態の排気浄化システムによる制御フローを説明する。なお、本制御はイグニッションキーのON操作と同時にスタートする。
ステップ(以下、ステップを単にSと記載する)100では、前段堆積量マップ(図3(a)参照)から、電極27間の静電容量Cに対応する前段DPF22の前段堆積量PMUP_DEPが読み取られる。さらに、S110では、前段−後段堆積量相関マップ(図3(b)参照)から、S100の前段堆積量PMUP_DEPに対応する後段DPF23の後段堆積量PMDW_DEPが読み取られる。
S120では、後段堆積量PMDW_DEPが上限堆積量PMMAXを超えたか否かが判定される。後段堆積量PMDW_DEPが上限堆積量PMMAXを超えた場合(Yes)は、強制再生を開始すべくS130に進む。
S130では、温度特性マップ(図4参照)から、電極27間の静電容量Cに対応する前段DPF内部温度TUP_DPFが読み取られ、S140では、前段DPF内部温度TUP_DPFと目標温度TTARGTとが比較される。目標温度TTARGTと前段DPF内部温度TUP_DPFとの温度差ΔT(絶対値)がゼロよりも大きい場合(Yes)は、S150に進む。一方、温度差ΔTがゼロの場合(No)は、排気管内噴射を基本噴射量INJQ_stdで実行しても、前段DPF内部温度TFR_DPFを目標温度TTARGTまで上昇させられる。この場合は、S170に進んで、基本噴射量INJQ_stdで排気管内噴射が実行される。
S150では、温度差ΔTに応じて噴射量補正マップから読み取った噴射補正量ΔINJを基本噴射量INJQ_stdに加算又は減算する噴射量補正(INJQ_exh=INJQ_std+/−ΔINJ)が実行され、S160では、補正後の排気管内噴射量INJQ_exhに基づいて排気管内噴射が実行される。
S180では、後段堆積量PMDW_DEPが後段DPF23の再生終了を示す下限閾値PMMINまで低下したか否かが判定される。後段堆積量PMDW_DEPが下限閾値PMMINまで低下している場合(Yes)は、S190で排気管内噴射を停止して本制御はリターンされる。その後、S100〜190の各制御ステップは、イグニッションキーのOFF操作まで繰り返し実行される。
次に、本実施形態に係る排気浄化システムによる作用効果を説明する。
従来、差圧センサを用いてPM堆積量を推定する手法では、特に排気流量の低下する低負荷運転領域や強制再生の終盤に感度が低下する課題がある。これに対し、本実施形態の排気浄化システムは、測定用の前段DPF22内に設けた電極27間の静電容量Cに基づいて、後段DPF23に堆積した後段堆積量PMRE_DEPを推定している。すなわち、低負荷運転領域や強制再生の終盤においても感度が良好な電極27間の静電容量Cに基づいて、後段DPF23のPM堆積量を高精度に推定するように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化システムによれば、運転状態の影響等を受けることなくPM堆積量を高精度に推定することができる。さらに、電極27を測定用の前段DPF22に設けたことで、電極27の寸法や配置等を後段DPF23のセル形状やピッチ等に応じて個別に設定する必要がなくなり、後段DPF23の仕様等に柔軟に対応することが可能になる。
また、一般的に電極27間の静電容量Cは、図7に示すように、排気温度の変化に対して排気温度センサのセンサ値よりも速い応答性を示す特性がある。すなわち、測定用DPF22内に配置した電極27間の静電容量Cを用いれば、DPF22,23の前後に設けた排気温度センサのセンサ値よりも、内部温度を正確に検出することが可能になる。
本実施形態の排気浄化システムでは、電極27間の静電容量Cから演算した前段DPF内部温度TFR_DPFと目標温度TTARGTとの温度差ΔTに基づいて、強制再生時の排気管内噴射量(又は、ポスト噴射量)が補正される。すなわち、排気温度センサのセンサ値を用いて補正する従来手法に比べ、前段DPF内部温度TFR_DPFを正確に検出することで、強制再生時における排気管内噴射量の最適化が図られるように構成されている。
したがって、本実施形態の排気浄化システムによれば、強制再生時の燃料噴射量を正確に制御することが可能となり、後段DPF23の再生効率を効果的に向上することができる。また、前段DPF22や後段DPF23の前後に排気温度センサを設ける必要がなくなり、装置全体のコストやサイズを効果的に低減することも可能になる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、電極27の本数は少なくとも一対以上であればよく、図示例に限定されるものではない。また、エンジン10はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
また、図8に示すように、排気通路12にDPF23を迂回させるバイパス通路26を接続し、このバイパス通路26に測定用のDPF22を配置して構成してもよい。この場合は、測定用のDPF22よりも上流側のバイパス通路26に、排気流量を調整するオリフィス26a(絞り)を設けることが好ましい。また、測定用のDPF22の強制再生を実行する場合は、電極27に電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。
10 エンジン
12 排気通路
20 排気後処理装置
21 DOC
22 前段DPF
23 後段DPF
25 排気管内噴射装置
27 電極
50 ECU
51 PM堆積量推定部
52 DPF内部温度推定部
53 強制再生制御部
54 噴射量補正部

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
    前記酸化触媒よりも下流側の排気通路に設けられて排気中の粒子状物質を捕集する一対の第1及び第2のフィルタと、
    前記第1のフィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
    前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、少なくとも前記第2のフィルタの粒子状物質堆積量を推定する堆積量推定手段と、
    前記堆積量推定手段から入力される粒子状物質堆積量が所定量を超えると、前記酸化触媒に燃料を噴射して、少なくとも前記第2のフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行するフィルタ再生手段と、を備える
    ことを特徴とする排気浄化システム。
  2. 前記第1のフィルタ及び前記第2のフィルタを前記排気通路内に排気流れ方向に沿って直列に配置した
    請求項1に記載の排気浄化システム。
  3. 前記酸化触媒よりも下流側の排気通路から分岐して、前記第2のフィルタを迂回するバイパス通路をさらに備え、
    前記第1のフィルタを当該バイパス通路に配置した
    請求項1に記載の排気浄化システム。
  4. 前記静電容量検出手段から入力される静電容量に基づいて、前記第1のフィルタの内部温度を推定する内部温度推定手段と、
    強制再生時のフィルタ目標温度と、前記内部温度推定手段から入力される内部温度との温度差に基づいて、前記フィルタ再生手段の燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、をさらに備える
    請求項1から3の何れか一項に記載の排気浄化システム。
  5. 前記静電容量検出手段が、前記第1のフィルタ内に一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対以上の電極で構成される
    請求項1から4の何れか一項に記載の排気浄化システム。
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