JP2016109512A - Sensor and control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ及び内燃機関の制御装置に関するものであり、特に、排気中に含まれる粒子状物質(以下、PMという)を検出するPMセンサ及び内燃機関の制御装置に関するものである。 The present invention relates to a sensor and a control device for an internal combustion engine, and more particularly to a PM sensor for detecting particulate matter (hereinafter referred to as PM) contained in exhaust gas and a control device for an internal combustion engine.
従来、内燃機関から排出される排気中のPMを検出するセンサとして、電気抵抗型PMセンサが知られている。電気抵抗型PMセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のPM(主に、スート成分)によって電気抵抗値が変化することを利用してPM量を推定している(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an electrical resistance type PM sensor is known as a sensor for detecting PM in exhaust discharged from an internal combustion engine. An electrical resistance type PM sensor uses a pair of conductive electrodes facing each other on the surface of an insulating substrate, and the electrical resistance value changes depending on the conductive PM (mainly soot component) adhering to these electrodes. The PM amount is estimated (see, for example, Patent Document 1).
ところで、内燃機関の制御を行うにあたっては、使用する燃料に応じて適切な制御を行うことが望まれる。具体的には、標準的な燃料以外の燃料、例えば、バイオ燃料や粗悪燃料等を使用した場合にも、使用する燃料性状に応じた適切な制御を行うことが望まれる。 By the way, when controlling an internal combustion engine, it is desired to perform appropriate control according to the fuel to be used. Specifically, even when a fuel other than standard fuel, for example, biofuel or poor fuel, is used, it is desired to perform appropriate control according to the fuel property to be used.
特許文献2では、パティキュレートフィルタの下流側に配置されたPMセンサにおいて、給油後のセンサ再生完了時のPM量を検出し、この値が給油前のセンサ再生完了時のPM量より大きい場合には、燃料の給油によるセタン価の低下が原因と判定する点が開示されている。
In
しかしながら、特許文献2では、セタン価の低下は判定できるものの、例えばバイオ燃料を用いた場合の判定は困難であり、燃料性状の判別が不十分である。
However, in
また、特許文献2では、PMセンサの具体的な構造が開示されておらず、一般的な電気抵抗型PMセンサを用いていると考えられる。電気抵抗型PMセンサは、各電極にPMを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したPMの一部が離脱する可能性があり、推定精度を担保できない課題がある。また、電極間の電気抵抗値はPMの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、電極がPMで繋がるまでの期間はPM量を正確に推定できない課題がある。そのため、電気抵抗型PMセンサでは、燃料性状を精度良く判別することは期待できない。
In
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なセンサ及び内燃機関の制御装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a sensor and an internal combustion engine control device that solve the above-described problems, have a fuel property discrimination function, and can accurately discriminate the fuel property.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セル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の電極を設け、前記一対の電極間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、前記推定手段が推定した粒子状物質量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部を備えたセンサである。 The present invention was devised to achieve the above object, and is a sensor that is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and detects the amount of particulate matter contained in the exhaust, and is disposed in the exhaust passage. A filter member including a cell that collects particulate matter in the exhaust is provided with at least a pair of electrodes that are arranged opposite to each other with the cell interposed therebetween to form a capacitor, and the exhaust is performed based on the capacitance between the pair of electrodes. A sensor having an electrostatic capacity type sensor having an estimation unit for estimating the amount of particulate matter in the sensor, and having a fuel property determination unit for determining a fuel property based on the amount of particulate matter estimated by the estimation unit. is there.
本発明によれば、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なセンサを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a sensor having a fuel property determination function and capable of accurately determining a fuel property.
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態に係るセンサ(以下、PMセンサと呼称する)を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及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。 Hereinafter, a sensor according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a PM sensor) will be described with reference to the accompanying drawings. The same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1(A)は、本実施形態に係るPMセンサが適用されたディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の排気系の一例を示す概略構成図であり、図1(B)は電子制御ユニットの機能ブロック図である。 FIG. 1A is a schematic configuration diagram illustrating an example of an exhaust system of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) to which a PM sensor according to the present embodiment is applied, and FIG. 1B is a diagram of an electronic control unit. It is a functional block diagram.
図1(A)に示すように、エンジン100の排気通路(排気管)110内には、排気上流側から順に酸化触媒210、パティキュレート・フィルタ(以下、DPFという)220等が設けられている。本実施形態の診断装置は、PMセンサ10をDPF220よりも上流側の排気通路110に配置して構成されている。なお、PMセンサ10の個数は限定されず、二個以上であってもよい。また、PMセンサ10の配置位置は、DPF220よりも下流側の排気通路110であってもよい。
As shown in FIG. 1A, an
次に、PMセンサ10の詳細構成について説明する。
Next, a detailed configuration of the
図2に示すように、PMセンサ10は、排気通路110内に挿入されたケース部材11と、ケース部材11を排気通路110に取り付ける台座部20と、ケース部材11内に収容されたセンサ部30と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
ケース部材11は、底部側(図示例では下端側)を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材11の筒軸方向の長さLは、その底部側の筒壁部が排気通路110の軸中心CL近傍まで突出するように、排気通路110の半径Rと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材11の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材11の基端側とする。
The
ケース部材11の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口12が設けられている。また、ケース部材11の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口13が設けられている。導入口12の総開口面積S12は、導出口13の総開口面積S13よりも小さく形成されている(S12<S13)。すなわち、導入口12付近の排気流速V12が導出口13付近の排気流速V13よりも遅くなることで(V12<V13)、導入口12側の圧力P12は導出口13側の圧力P13よりも高くなる(P12>P13)。これにより、導入口12からはケース部材11内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口13からはケース部材11内の排気ガスが排気通路110内に円滑に導出される。
A plurality of
台座部20は、雄ネジ部21と、ナット部22とを備えている。雄ネジ部21はケース部材11の基端部に設けられており、ケース部材11の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部21は、排気通路110に形成されたボス部110Aの雌ネジ部と螺合される。ナット部22は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部21の上端部に固定されている。これら雄ネジ部21及びナット部22には、後述する導電線32A,33A等を挿通させる貫通孔(不図示)が形成されている。
The
センサ部30は、フィルタ部材31と、複数対の電極32,33と、電気ヒータ34とを備えている。
The
フィルタ部材31は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数の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。このフィルタ部材31は、セルの流路方向をケース部材11の軸方向(図中上下方向)と略平行にした状態で、ケース部材11の内周面にクッション部材31Aを介して保持されている。導入口12からケース部材11内に取り込まれた排気ガス中のPMは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。
The
電極32,33は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側(非目封止側)から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極32,33は、車両の電子制御ユニット(ECUという)40に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線32A,33Aを介してそれぞれ接続されている。
The
電気ヒータ34は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ34は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したPMを燃焼除去するいわゆるセンサ再生(フィルタ再生)を実行する。このため、電気ヒータ34は、連続S字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。
The
また、図1(B)に示すように、PMセンサ10は、センサ再生制御部41と、PM量推定演算部42と、を備えている。センサ再生制御部41とPM量推定演算部42は、ECU40に搭載されている。なお、センサ再生制御部41とPM量推定演算部42は、ECU40と別体に構成されたハードウェアユニットに搭載されていてもよい。ECU40は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置を構成するものであり、燃料噴射タイミングを含むエンジン100の制御を行うように構成されている。
As shown in FIG. 1B, the
センサ再生制御部41は、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極32,33間の静電容量Cpに応じて電気ヒータ34をON(通電)にするセンサ再生を実行する。電極32,33間の静電容量Cpは、電極32,33間の媒体の誘電率ε、電極32,33の表面積S、電極32,33間の距離dとする以下の数式1で表される。
The sensor
数式1において、電極32,33の表面積Sは一定であり、フィルタ部材31にPMが捕集されると、誘電率ε及び距離dが変化して、これに伴い静電容量Cpも変化する。すなわち、電極32,33間の静電容量Cpとフィルタ部材31のPM堆積量との間には比例関係が成立する。
In Formula 1, the surface areas S of the
センサ再生制御部41は、電極32,33間の静電容量Cpがフィルタ部材31のPM上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値CP_maxに達すると、電気ヒータ34をONにするセンサ再生を開始する(図3参照)。このセンサ再生は、静電容量CpがPMの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値CP_minに低下するまで継続される。
When the electrostatic capacity Cp between the
PM量推定演算部42は、本発明の推定手段の一例であって、電極32,33間の静電容量Cpを求めると共に、測定対象となる期間における静電容量変化量ΔCpnに基づいて、排気中の総PM量mPM_sumを推定する。
Estimating the PM
任意の期間Tn間にフィルタ部材31で捕集されるPM量mPM_nは、静電容量変化量ΔCpnに一次の係数βを乗算した以下の数式2で得られる。
PM quantity m PM_n to be trapped by the
PM量推定演算部42は、数式2から算出される期間TnのPM量mPM_nを順次積算する以下の数式3に基づいて、PMセンサ10のフィルタ部材31に流れ込む排気中の総PM量mPM_sumをリアルタイムに演算する。
The PM amount
さて、PMセンサ10は、燃料性状判別部2をさらに備えている。
The
燃料性状判別部2は、推定手段であるPM量推定演算部42が推定したPM量に基づき、燃料性状を判別するように構成されている。
The fuel
燃料性状判別部2は、燃料性状の判別基準となる標準燃料を使用した場合にエンジン100から排出されるPM量である基準粒子状物質量(基準PM量という)を運転状況毎にマップ化した燃料性状マップ3を有しており、燃料性状マップ3を参照して現在の運転状況に対応する基準PM量を求め、求めた基準PM量とPM量推定演算部42が推定したPM量(推定PM量という)とを比較することにより、燃料性状を判別するように構成される。
The fuel
例えば、炭化水素の量が多い燃料では、エンジン100から排出されるPM量が多くなるので、推定PM量が基準PM量より多くなる。また、バイオ燃料は含酸素量が多いので、バイオ燃料を用いた場合は、エンジン100から排出されるPM量が少なくなり、推定PM量が基準PM量より少なくなる。よって、本実施形態では、燃料性状判別部2は、推定PM量が基準PM量より多いか少ないかによって、現在使われている燃料の燃料性状を判別している。
For example, in a fuel with a large amount of hydrocarbons, the amount of PM discharged from the
燃料性状マップ3は、予め実験またはPM堆積モデルを用いた演算により、考えられる運転状況毎に基準PM量を求めて作成される。ここでは、エンジン回転数とエンジン負荷とを運転状況を表すパラメータとして用い、エンジン回転数とエンジン負荷毎に所定時間にエンジン100より排出されるPM量を演算して基準PM量を求め、燃料性状マップ3を作成した。ただし、運転状況を表すパラメータはこれに限定されるものではなく、例えば3つ以上のパラメータを用いるようにしても構わない。
The
燃料性状判別部2は、燃料性状マップ3を参照して現在の運転状況に対応する基準PM量を求めると共に、PM量推定演算部42により所定時間(基準PM量を演算する際に用いた所定時間と等しい時間)にフィルタ部材31に堆積したPM量である推定PM量を求め、基準PM量と推定PM量の大小関係と両者の差異(乖離)を、燃料性状データとして出力する。
The fuel
燃料性状判別部2は、例えば車両の始動時など、エンジン100から排出されるPM量が安定しない場合には、燃料性状を判別しないように構成されてもよい。
The fuel
燃料性状判別部2より出力された燃料性状データは、ECU40に搭載された燃料性状対応制御部4に入力される。燃料性状対応制御部4は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置を構成するものである。
The fuel property data output from the fuel
燃料性状対応制御部4は、燃料性状判別部2が判別した燃料性状、すなわち、燃料性状判別部2から入力された燃料性状データに応じて、燃料噴射タイミングを含むエンジン100の制御を行うものである。
The fuel property correspondence control unit 4 controls the
燃料性状対応制御部4は、例えば、炭化水素が多く基準PM量よりも推定PM量が大きくなっており、かつ、基準PM量と推定PM量の乖離が所定の閾値よりも大きい場合には、当該乖離の程度に応じて、標準燃料使用時の燃料噴射タイミングよりも早いタイミングで燃料噴射を行うように燃料噴射タイミングの補正制御を行う。 For example, when the fuel property control unit 4 has a large amount of hydrocarbons and the estimated PM amount is larger than the reference PM amount, and the difference between the reference PM amount and the estimated PM amount is larger than a predetermined threshold, According to the degree of the deviation, the fuel injection timing correction control is performed so that the fuel injection is performed at a timing earlier than the fuel injection timing when the standard fuel is used.
なお、燃料性状対応制御部4は、燃料噴射タイミングの補正制御以外にも、例えば、燃料性状に応じて燃料噴射量の補正制御を行うように構成されてもよく、燃料性状に応じて燃費や排気ガス中のNOx量が最適となるようにエンジン100の制御を行うように構成される。
In addition to the fuel injection timing correction control, the fuel property response control unit 4 may be configured to perform, for example, fuel injection amount correction control according to the fuel property. The
本実施形態の作用効果を説明する。 The effect of this embodiment is demonstrated.
本実施形態に係るPMセンサ10では、排気通路110に配置されて排気中のPMを捕集するセルを含むフィルタ部材31に、セル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の電極32,33を設け、一対の電極32,33間の静電容量に基づいて排気中のPM量を推定するPM量推定演算部42を備えた静電容量式のセンサからなり、PM量推定演算部42が推定したPM量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部2を備えている。
In the
従来の電気抵抗型PMセンサは、排気流量が多くなる運転状態でPMの一部が離脱する可能性があり、また、電極間の電気抵抗値はPMの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、PM量を正確に推定できない課題がある。 In the conventional electric resistance type PM sensor, there is a possibility that a part of the PM is detached in an operation state in which the exhaust gas flow rate increases, and the electric resistance value between the electrodes changes until the electrodes are connected to each other by the deposition of PM. Therefore, there is a problem that the amount of PM cannot be accurately estimated.
これに対して、本実施形態に係るPMセンサ10では、感度の良好な電極32,33間の静電容量変化量に基づいてPM量を推定しており、かつ、排気ガス中のPMをフィルタ部材31で確実に捕集するように構成されているため、エンジン100から排出される排気ガス中のPM量を高精度に推定することができる。よって、推定したPM量を基に燃料性状を判別する燃料性状判別部2をさらに備えることにより、燃料性状判別機能を有し、燃料性状を精度良く判別可能なPMセンサ10を実現できる。
On the other hand, in the
燃料性状を精度良く判別することにより、燃料性状に応じたエンジン100の制御が可能となり、標準燃料だけでなく、バイオ燃料、粗悪燃料等にも対応した最適なエンジン制御が可能となる。
By accurately discriminating the fuel properties, the
特に、燃料としてバイオ燃料を用いた場合には、排気ガス中のNOx量が増加して規制値を超えてしまう可能性が生じるが、本実施形態によればバイオ燃料の使用を早期に判別し、燃料性状に応じた最適なエンジン制御を行うことが可能であり、排気ガス中のNOx量を適切にコントロールすることが可能である。 In particular, when biofuel is used as the fuel, there is a possibility that the amount of NOx in the exhaust gas increases and exceeds the regulation value. However, according to this embodiment, the use of biofuel is discriminated early. It is possible to perform optimal engine control according to the fuel properties, and to appropriately control the NOx amount in the exhaust gas.
なお、排気ガス中のPM量が多い場合には燃費の悪化が考えられるが、燃料性状に応じた最適なエンジン制御を行うことで、燃費を向上させることも可能になる。 Note that when the amount of PM in the exhaust gas is large, fuel consumption may be deteriorated, but it is also possible to improve fuel consumption by performing optimal engine control in accordance with fuel properties.
また、本実施形態に係るPMセンサ10によれば、PM量と燃料性状の推定が同時に可能であり、個々の機能を別の装置で実現した場合と比較して低コストである。
Further, according to the
さらに、本実施形態のPMセンサ10では、センサ部30を収容したケース部材11を、その先端部を排気通路110内で排気流速が最も速い軸中心CL近傍まで突出させている。このケース部材11の先端側筒壁部には、ケース部材11内に排気ガスを取り込む導入口12が設けられている。また、ケース部材11の基端側筒壁部には、導入口12よりも開口面積を大きく形成した導出口13が設けられている。すなわち、本実施形態のPMセンサ10によれば、導入口12を排気流速が速い排気通路110の軸中心CL近傍に配置し、導出口13の開口面積を大きくしたことで、導入口12と導出口13との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部30を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。
Further, in the
本発明は上記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種々の変更を加え得ることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、PMセンサ10の具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、図3(A),(B)に示すように、積層タイプのセンサ部60を用いるようにしてもよい。
For example, the specific configuration of the
センサ部60は、上流側と下流側とを交互に目封止したセルを一方向に並列に配置した直方体状の複数のフィルタ層61と、平板状の導電性部材からなる複数枚の第1及び第2電極板62,63とを備え、第1及び第2電極板62,63をフィルタ層61を挟んで交互に積層して構成される。第1及び第2電極板62,63は、その長さ方向L及び幅方向Wの外形寸法がフィルタ層61と略同一に形成されている。
The
第1電極板62と第2電極板63とを対向配置し、これら電極板62,63間にフィルタ層61を挟持させることで、電極表面積Sを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離dがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。
By arranging the
なお、セルに堆積したPMを燃焼除去する場合は、電極板62,63に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層61と電極板62,63との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
When the PM accumulated in the cell is burned and removed, a voltage is directly applied to the
また、図4に示すように、導入口12と導出口13との位置を入れ替えて、ケース部材11内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材31をケース部材11内に反転させて収容すればよい。
In addition, as shown in FIG. 4, the positions of the
2 燃料性状判別部
3 燃料性状マップ
4 燃料性状対応制御部
10 PMセンサ(センサ)
40 ECU
42 PM量推定演算部(推定手段)
100 エンジン(内燃機関)
110 排気通路
2 Fuel
40 ECU
42 PM amount estimation calculation unit (estimating means)
100 engine (internal combustion engine)
110 Exhaust passage
Claims (3)
前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セル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の電極を設け、前記一対の電極間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなり、
前記推定手段が推定した粒子状物質量に基づき、燃料性状を判別する燃料性状判別部を備えた
ことを特徴とするセンサ。 A sensor that is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and detects the amount of particulate matter contained in the exhaust,
A filter member including a cell that is disposed in the exhaust passage and collects particulate matter in the exhaust is provided with at least a pair of electrodes that are opposed to each other with the cell interposed therebetween to form a capacitor, and between the pair of electrodes. It consists of a capacitance type sensor equipped with an estimation means for estimating the amount of particulate matter in the exhaust based on the capacitance,
A sensor comprising a fuel property determining unit for determining a fuel property based on the amount of particulate matter estimated by the estimating means.
請求項1記載のセンサ。 The fuel property determination unit is a fuel property map in which a reference particulate matter amount, which is the amount of particulate matter discharged from the internal combustion engine when a standard fuel serving as a reference for determining fuel properties is used, is mapped for each operating situation. The fuel property map is determined by comparing the reference particulate matter amount corresponding to the current operating state with reference to the fuel property map and the particulate matter amount estimated by the estimation means. The sensor according to claim 1.
前記燃料性状判別部が判別した燃料性状に応じて、燃料噴射タイミングを含む前記内燃機関の制御を行う燃料性状対応制御部と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。 A sensor according to claim 1 or 2,
A fuel property response control unit that controls the internal combustion engine including fuel injection timing according to the fuel property determined by the fuel property determination unit;
A control apparatus for an internal combustion engine, comprising:
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