JP2015075007A

JP2015075007A - 排気浄化システム

Info

Publication number: JP2015075007A
Application number: JP2013210700A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 英和藤江; Hidekazu Fujie; 直人村澤; Naoto Murasawa; 哲史塙; Tetsushi Hanawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-20
Also published as: CN105612320B; WO2015053323A1; CN105612320A; EP3056700A4; EP3056700A1; US20160237930A1; US9784200B2

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ＤＰＦ２２と、ＤＯＣ２１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ＤＰＦ２２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ＤＰＦ２２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フィルタと、前記酸化触媒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、前記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、前記酸化触媒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、前記酸化触媒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ことが好ましい。

また、前記酸化触媒よりも排気上流側及び下流側の排気通路を接続して、当該酸化触媒を迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられた第２の酸化触媒とをさらに備え、前記電極が前記第２の酸化触媒内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてもよい。

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ＤＯＣ堆積量マップの一例、（ｂ）は本実施形態のＤＯＣ−ＤＰＦ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、ＤＰＦ２２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２３が設けられている。

排気管内噴射装置２３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２３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、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、排気管内噴射装置２３又はポスト噴射によって未燃燃料（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。

また、本実施形態のＤＯＣ２１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。

ＤＰＦ２２は、例えば、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、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。ＤＰＦ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、推定される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２３又はポスト噴射によってＤＯＣ２１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ２２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２３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、ＤＯＣ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、ＤＯＣ２１に設けられた電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２に捕集されたＰＭ堆積量（以下、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPF）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。

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、ＤＯＣ２１に捕集されたＰＭ堆積量（以下、ＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOC）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ＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCとの関係を示すＤＯＣ堆積量マップ（例えば、図３（ａ）参照）及び、ＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCとＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFとの関係を示すＤＯＣ−ＤＰＦ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、ＤＯＣ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ＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCを推定すると共に、ＤＯＣ−ＤＰＦ堆積量相関マップからＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCに対応する値を読み取ることで、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFを推定するように構成されている。なお、これらＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOC及び、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_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。

ＤＯＣ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、ＤＯＣ２１の内部温度（以下、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOC）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、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOC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ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOC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。ＤＯＣ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ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCを推定する。なお、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOC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堆積量推定部５１から入力されるＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPF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、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFがＤＰＦ２２に捕集可能なＰＭの上限堆積量ＰＭ_MAXを超えると（ＰＭ_DEP＞ＰＭ_MAX）、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、ＤＯＣ内部温度推定部５２から入力されるＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCと、ＤＰＦ２２内のＰＭを略完全に燃焼除去させる目標温度Ｔ_TARGT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ＩＮＪ_{Q_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ＩＮＪ_{Q_std}に加算もしくは減算することで設定される（ＩＮＪ_{Q_exh}＝ＩＮＪ_{Q_std}＋／−ΔＩＮＪ）。補正後の燃料噴射は、排気管内噴射装置２３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、ＤＯＣ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ＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCが読み取られる。さらに、Ｓ１１０では、ＤＯＣ−ＤＰＦ堆積量相関マップ（図３（ｂ）参照）から、Ｓ１００のＤＯＣ堆積量ＰＭ_DOCに対応するＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFが読み取られる。

Ｓ１２０では、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFが上限堆積量ＰＭ_MAXを超えたか否かが判定される。ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFが上限堆積量ＰＭ_MAXを超えた場合（Ｙｅｓ）は、ＤＰＦ２２の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ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCが読み取られ、Ｓ１４０では、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCと目標温度Ｔ_TARGTとが比較される。目標温度Ｔ_TARGTとＤＰＦ内部温度Ｔ_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ＩＮＪ_{Q_std}で実行しても、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCを目標温度Ｔ_TARGTまで上昇させられる。この場合は、Ｓ１７０に進んで、基本噴射量ＩＮＪ_{Q_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ＩＮＪ_{Q_std}に加算又は減算する噴射量補正（ＩＮＪ_{Q_exh}＝ＩＮＪ_{Q_std}＋／−ΔＩＮＪ）が実行され、Ｓ１６０では、補正後の排気管内噴射量ＩＮＪ_{Q_exh}に基づいて排気管内噴射が実行される。

Ｓ１８０では、ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFがＤＰＦ２２の再生終了を示す下限閾値ＰＭ_MINまで低下したか否かが判定される。ＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPFが下限閾値ＰＭ_MIN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、ＤＯＣ２１内に設けた電極２７間の静電容量Ｃに基づいて、ＤＰＦ２２に堆積したＤＰＦ堆積量ＰＭ_DPF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、ＤＰＦ２２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ＤＯＣ２１に設けたことで、電極２７の寸法や配置等をＤＰＦ２２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、ＤＰＦ２２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、ＤＯＣ２１内に配置した電極２７間の静電容量Ｃを用いれば、ＤＯＣ２１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ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOCと目標温度Ｔ_TARGT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）を補正している。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、ＤＯＣ内部温度Ｔ_DOC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、ＤＰＦ２２の再生効率を効果的に向上することができる。また、ＤＯＣ２１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ＤＯＣ２１を迂回させるバイパス通路２５を接続し、このバイパス通路２５に容量の小さい計測用のＤＯＣ２１ａを備えて構成してもよい。この場合は、電極２７を計測用のＤＯＣ２１ａ内に配置すると共に、バイパス通路２５には排気流量を調整するオリフィス２５ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用のＤＯＣ２１ａ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
２１ＤＯＣ
２２ＤＰＦ
２３排気管内噴射装置
２７電極
５０ＥＣＵ
５１ＰＭ堆積量推定部
５２ＤＯＣ内部温度推定部
５３強制再生制御部
５４噴射量補正部

Claims

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フィルタと、
前記酸化触媒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、前記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。
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、前記酸化触媒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に記載の排気浄化システム。
前記静電容量検出手段が、前記酸化触媒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又は２に記載の排気浄化システム。
前記酸化触媒よりも排気上流側及び下流側の排気通路を接続して、当該酸化触媒を迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられた第２の酸化触媒と、をさらに備え、
前記電極が前記第２の酸化触媒内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置される請求項１から３の何れか一項に記載の排気浄化システム。