JP2016153758A - 粒子状物質数量推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機の排気ガス流路に備えたＰＭ定量装置によって排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の数量を推定する粒子状物質数量推定システムにおいて、ＰＭ数量の精度をより高いものとする。
【解決手段】ＤＰＦより下流側のＰＭ量をＰＭ定量装置６０で検出するにあたって、最初に、車載式故障診断装置が採用するＰＭ規定数量を設定する。コントロールユニットはＰＭ定量装置の出力から堆積質量関係マップ７１によりＰＭ質量を推定する。ＰＭ移動度関係マップ７２を用いてＰＭ移動度を求める。エンジンの空燃比と排気ガス中の水蒸気濃度との関係をデータ化したマップから水蒸気濃度を推定し、水蒸気濃度補正マップ７３を用いてＰＭ移動度の変化率を求めてＰＭ移動度の補正を行う。ＰＭ排出量と粒子径からＰＭ数量を推定する。設定したＰＭ規定数量を上回っているかを判定し、上回っている場合には、コントロールユニットは故障警告信号をＥＣＵ８０に出力する。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、車両用内燃機関の排気浄化システムに好適に利用されて、排気ガス中に存在する粒子状物質の数量を推定するための粒子状物質数量推定システムに関する。

自動車用ディーゼルエンジン等において、排気ガスに含まれる環境汚染物質、特に煤粒子（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭという）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦという）を設置し、ＰＭを捕集することが行われている。また、欧州では、ＰＭ数規制の実施が決定されている。

一方、排気ガス中のＰＭを直接定量可能な装置として、絶縁板の一面を粒子状物質検出面とし、該検出面に一対の櫛歯電極を配置するようにした粒子状物質定量装置が知られている（特許文献１、２等参照）。この装置は、ＰＭが有する導電性を利用し、ＰＭが一対の櫛歯電極上に堆積することによる電気抵抗変化を計測して、ＰＭ質量を定量する。この粒子状物質定量装置をＤＰＦの下流に設置した場合には、ＤＰＦをすり抜けるＰＭを定量することができ、その情報に基づき、車載式故障診断装置（ＯＢＤ）はＤＰＦの作動状態を監視し、例えばＤＰＦの亀裂や破損といった異常を予測することができる。また、ＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を定量し、差圧センサに代わるＤＰＦの再生時期の判断に利用することもできる。

特開２０１０−２８６４１２号公報 特開２０１２−８３２１０号公報

排気ガス中に含まれるＰＭの移動度は、排気ガスの水蒸気濃度により変動し、水蒸気濃度が大きくなるとＰＭの移動度が増加する。なお、本発明において「移動度」とは、排気ガス中に存在するＰＭが粒子状物質定量装置へと移動する際の移動しやすさを意味する用語として用いている。また、内燃機関の運転条件により、排気ガス中の水蒸気濃度は変化し、それにより移動度も変動する。特許文献１あるいは２に記載される形態の電気抵抗式の粒子状物質定量装置においては、排気ガス中の水蒸気濃度についての考察はなされてなく、一対の櫛歯電極上にＰＭが堆積することにより生じる電気抵抗変化を検出し、ガス流速やガス温度をパラメータとする移動度に基づき、排気ガス中のＰＭの質量やＰＭ濃度を推定している。そのために、水蒸気濃度が変化する運転条件によっては、実際以上あるいは以下のＰＭ量を検出する傾向となり、検出精度が十分とは言えない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気ガス流路に備えた粒子状物質定量装置によって排気ガス中の粒子状物質の数量を推定する粒子状物質数量推定システムにおいて、検出精度をより高いものとすることを課題とする。

本発明による粒子状物質数量推定システムは、粒子状物質定量装置を内燃機関の排気ガス流路に備えた粒子状物質数量推定システムであって、前記粒子状物質定量装置は、絶縁板上に互いに離れて向かい合うように配置された一対の櫛歯電極を備え、該一対の櫛歯電極間の電気抵抗変化を検出することで、当該一対の櫛歯電極間の上に堆積した粒子状物質の質量を定量するようにした粒子状物質定量装置であり、前記システムは、排気ガス中の水蒸気濃度から粒子状物質の移動度を補正し、該補正値に基づき前記一対の櫛歯電極間の電気抵抗値、もしくはＰＭセンサ出力からもとめたＰＭ排出量、ＰＭ排出濃度等や、ＰＭセンサ出力値を利用したシステムで用いる判定値に補正を加える手段を備えることを特徴とする。

より具体的には、本発明による粒子状物質数量推定システムは、内燃機関の排気ガス流路に備えた粒子状物質定量装置によって排気ガス中の粒子状物質を推定する粒子状物質数量推定システムであって、前記粒子状物質定量装置は、絶縁板上に互いに離れて向かい合うように配置された一対の櫛歯電極を備え、該一対の櫛歯電極間の電気抵抗変化を検出することで、当該一対の櫛歯電極間の上に堆積した粒子状物質の質量を算出するようにした粒子状物質定量装置であり、前記粒子状物質数量推定システムは、車載式故障診断装置が採用する粒子状物質規定数量を設定する工程と、コントロールユニットが前記粒子状物質定量装置の出力から堆積質量関係マップにより粒子状物質質量を推定する工程と、コントロールユニットが粒子状物質移動度関係マップを用いて、粒子状物質移動度を求める工程と、ＥＣＵが備えるエンジンの空燃比と排気ガス中の水蒸気濃度との関係をデータ化したマップから水蒸気濃度を推定する工程と、補正した水蒸気濃度から水蒸気濃度補正マップを用いて粒子状物質移動度変化率を求め、前記粒子状物質移動度変化率により粒子状物質移動度の補正を行なう工程と、補正した粒子状物質移動度を用いて、堆積質量関係マップにより推定した粒子状物質質量から排気ガス中の粒子状物質排出量を推定する工程と、燃焼温度から推定される粒子状物質の粒子径を用いて、粒子状物質排出量と粒子径から粒子状物質数量を推定する工程と、コントロールユニット内で、粒子状物質堆積数量が設定した粒子状物質規定数量を上回っているかの判定を行う工程と、粒子状物質堆積数量が粒子状物質規定数量を上回っている場合には、コントロールユニットは故障警告信号をＥＣＵに出力する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の排気ガス流路に備えた粒子状物質定量装置によって排気ガス中の粒子状物質の質量を定量する粒子状物質数量推定システムにおいて、そのＰＭ数量の精度をより高いものとすることができる。

本発明による粒子状物質数量推定システムを備えた内燃機関回りを示す概略構成図。 本発明による粒子状物質数量推定システムで用いる粒子状物質定量装置の要部を説明する分解斜視図。 粒子状物質定量装置におけるＰＭの堆積状態を示す模式的図。 粒子状物質定量装置のコントロールユニットを説明する図。 本発明による粒子状物質数量推定システムの実際の作動フローチャート。 本発明による粒子状物質数量推定システムを備えた内燃機関回りを示す他の概略構成図。 堆積質量関係マップの図。 粒子状物質（ＰＭ）移動度関係マップの図。 水蒸気濃度補正マップの図。 エンジンの空燃比と排気ガスの水蒸気濃度との関係を実験にて測定した結果をデータ化したマップの図。

以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。

図１は、本発明による粒子状物質数量推定システムを備えたエンジン(内燃機関)１０およびその周辺の一例を示す概略構成図である。図示の例で、エンジン１０は燃焼室１１とインジェクタ１２を備えた４気筒のディーゼルエンジンであり、給気マニホールド２０を介して給気通路２１が接続し、排気マニホールド３０を介して排気通路３１が接続している。給気通路２１には、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４１が設けられており、コンプレッサ４１よりも下流側には、エアフローセンサ２２および給気通路２１内を流通する吸入空気の流量を調節するスロットルバルブ２３が設けられている。

排気通路３１には、ターボチャージャ４０のタービン４２が設けられるとともに、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気側へ再循環させるＥＧＲ通路３２が接続しており、ＥＧＲ通路３２と吸気通路２１との合流部には、そこを流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ３３が設けられている。ＥＧＲバルブ３３の下流側の吸気通路２１には圧力センサ（インマニ圧センサ）２４が設けられている。

排気通路３１のタービン４２よりも下流側には、排気ガスの後処理をする排気浄化装置５０が設けられており、排気浄化装置５０は、酸化触媒（ＤＯＣ）５１と、その下流側に設けられた排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）５２とを備えている。さらに、排気通路３１における排気浄化装置５０の下流側には、後に説明するＰＭ定量装置６０が備えられている。

図１において、７０はＰＭ定量装置６０のためのコントロールユニットであり、８０はエンジン全体の制御を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）である。ＥＣＵ８０は、基本的構成は従来知られたものと同じであってよいが、この実施の形態では、ＥＣＵ８０は、エンジンの空燃比（もしくは燃料噴射量と吸入空気量）と排気ガスの水蒸気濃度との関係を実験にて測定した結果をデータ化したマップ８１（図１０）を有している。

エンジン１０の吸気行程では、エアフローセンサ２２による吸気量検出、スロットルバルブ２３による吸入空気量調整、インマニ圧センサ２４による圧力検出が実施され、すべての検出信号はＥＣＵ８０へ送られる。燃焼室１１内では、インジェクタ１２による燃料噴射がなされ、燃焼が行われる。燃焼後の排気ガスは、排気マニホールド３０から排気通路３１に流れ、排気ガス中の、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、一酸化窒素ＮＯは、排気浄化装置５０に備えられた酸化触媒（ＤＯＣ）５１によって無害化処理される。また、排気ガス中のＰＭは、ＤＰＦ５２によって捕集される。ＤＰＦ５２をすり抜けて排出されたＰＭをモニタリングするために、前記したＰＭ定量装置６０およびコントロールユニット７０が備えられる。

図２は、ＰＭ定量装置６０の一例を示す分解斜視図である。この例において、ＰＭ定量装置６０は、ＰＭを捕集する捕集部６１と、捕集部６１に捕集されたＰＭを加熱除去するための加熱手段６２を備えている。捕集部６１は、排気ガス中のＰＭを堆積させる絶縁板６１１と、該絶縁板６１１上に互いに離れて向かい合うように配置された櫛歯電極６１２とを備え、さらに、該櫛歯電極６１２の電気信号を取り出すための端子６１３をやはり絶縁板６１１上に備えている。加熱手段６２は、絶縁板６２１と、該絶縁板６２１上に配置された端子６２２から供給される電流により発熱する熱線６２３により構成されている。なお、この形態のＰＭ定量装置６０は従来知られたものであり、詳細な説明は省略する。

前記したコントロールユニット７０は、堆積質量関係マップ７１と、ＰＭ移動度関係マップ７２と、水蒸気濃度補正マップ７３を有している。これらのマップは予め実験により作成しておく。堆積質量関係マップ７１と、ＰＭ移動度関係マップ７２と、水蒸気濃度補正マップ７３はそれぞれ、図７、図８、図９に示す。

堆積質量関係マップ７１は、前記ＰＭ定量装置６０の電気抵抗値に依存する電圧値としての出力信号（すなわち櫛歯電極６１２の電気信号を取り出すための端子６１３からの電圧値としての出力信号）と、検出部上のＰＭ質量との関係をデータ化したマップである。

ＰＭ移動度関係マップ７２は、堆積質量関係マップ７１を用いて算出したＰＭ質量と、排出ガス中のＰＭ排出量もしくはＰＭ濃度の関係から算出した、ＰＭ移動度を示したマップである。これは、ガス温度、ガス流速をパラメータとして実験的に作成したマップである。このＰＭ移動度とＰＭ堆積質量関係マップ７１を用い、排気ガス中のＰＭ排出量＝堆積したＰＭ質量／ＰＭ移動度の関係であることに基づき、ＰＭ質量から、排気ガス中のＰＭ排出量もしくはＰＭ濃度を算出する。

水蒸気濃度補正マップ７３は、前記ＥＣＵ８０でマップ演算した水蒸気濃度とＰＭ移動度の変化率の関係をデータ化したマップである。ここでは、排気ガス中のＰＭ排出量＝堆積したＰＭ質量／（ＰＭ移動度×ＰＭ移動度変化率）の関係を用いている。

コントロールユニット７０は、コントロールユニット７０上で前記堆積質量関係マップ７１を用いてＰＭ定量装置６０の出力値からＰＭの質量を定量する。また、燃焼温度から推定される粒子状物質の粒子径を算出する。そして、得られたＰＭ質量と粒子径からＰＭ数量を推定し、推定値が予め設定した規定数量を上回った場合に、警告信号をＥＣＵ８０に出力する。しかし、単に堆積質量関係マップ７１およびＰＭ移動度関係マップ７２を用いて推定した排気ガス中のＰＭ排出量や濃度の推定値は、排気ガス中の水蒸気濃度に依存して変化することから、ＰＭ排出量あるいは濃度や、それから得られるＰＭ数量は、実際に排出しているＰＭ排出量あるいは濃度を正確に反映しているとはいえない。そこで、本発明では、さらに、水蒸気濃度補正マップ７３を用いることで、その値を実際値に近くなるように補正する。言い換えると、粒子状物質量定量装置の感度補正を行う。

以下に、その補正方法およびその作動原理を説明する。図３は、ＰＭ定量装置６０の捕集部６１を模式的に示しており、図４は、作動原理を説明するためのコントロールユニット７０の回路図である。図３に示すように、捕集部６１にはＰＭ（ＤＰＦ５２をすり抜けた一部のＰＭ）が堆積し、櫛歯電極６１２の間が導電性物質であるＰＭによって導通するようになる。すなわち、櫛歯電極６１２の電気抵抗値ＲｐｍはＰＭに依存しており、ＰＭが堆積することで電気抵抗値Ｒｐｍは低減する。

櫛歯電極６１２には電圧Ｖｄが常時印加されており、櫛歯電極６１２の電気抵抗値Ｒｐｍの変化に伴い、電気信号としての電流量が変化する。これにより、ＰＭ定量装置６０から前記コントロールユニット７０へ出力される電流値Ｉが変化する。コントロールユニット７０はシャント抵抗Ｒｓを備えており、コントロールユニット７０は、出力された電流値とシャント抵抗Ｒｓの積で電圧Ｖｓを算出する。そして、前記した堆積質量関係マップ７１によりＰＭ質量を算出する。また、ＰＭ移動度関係マップ７２を用いて、ＰＭ移動度を求める。そして、前記したエンジンの空燃比（もしくは燃料噴射量と吸入空気量）と排気ガスの水蒸気濃度との関係を実験にて測定した結果をデータ化したマップ８１（図１０）により算出した水蒸気濃度を用いて、水蒸気濃度補正マップ７３から、ＰＭ移動度の変化率を求め、先に算出したＰＭ移動度の補正を行なう。この補正済のＰＭ移動度を用いて、堆積質量関係マップ７１により算出したＰＭ質量から排気ガス中のＰＭ排出量およびＰＭ濃度を推定する。さらに、前記したように、燃焼温度等から推定される粒子状物質の粒子径を用いて、排出ＰＭ量と粒子径からＰＭ数量を推定する。

図５は、本発明による粒子状物質数量推定システムの実際の作動フローチャートを示す。ＤＰＦ５２より下流側のＰＭ量をＰＭ定量装置６０で検出するにあたって、最初に、車載式故障診断装置（ＯＢＤ）（不図示）が採用するＰＭ規定数量を設定する（Ｓ１）。続いて、コントロールユニット７０は、ＰＭ定量装置６０の出力電圧から前記した堆積質量関係マップ７１によりＰＭ堆積質量を推定する（Ｓ２）。そして、コントロールユニット７０は、ＰＭ移動度関係マップ７２を用いて、ＰＭ移動度を求める（Ｓ３）。

続いて、ＥＣＵ８０が備えるエンジンの空燃比と排気ガス中の水蒸気濃度との関係をデータ化したマップ８１（図１０）から水蒸気濃度を推定し、そして、推定した水蒸気濃度から前記した水蒸気濃度補正マップ７３を用いてＰＭ移動度の変化率を求める（Ｓ４）。この推定した変化率によりＰＭ移動度の補正を行なう（Ｓ５）。

続いて、この補正済のＰＭ移動度を用いて、堆積質量関係マップ７１により推定したＰＭ質量から排気ガス中のＰＭ排出量を推定する（Ｓ６）。そして、前記したように、燃焼温度から推定される粒子状物質の粒子径を用いて、ＰＭ排出量と粒子径からＰＭ数量を推定する（Ｓ７）。

最後に、コントロールユニット７０内で、ＰＭ堆積数量が上記Ｓ１で設定したＰＭ規定数量を上回っているかの判定を行い（Ｓ８）、上回っている場合には、コントロールユニット７０は故障警告信号をＥＣＵ８０に出力する（Ｓ９）。

上記のように、本実施形態においては、排気ガス中の水蒸気濃度によって補正されたＰＭの移動度を用いて、粒子状物質定量装置に堆積した粒子状物質（ＰＭ）の堆積数量を推定するようにしており、従来のこの種の電気抵抗式の粒子状物質定量装置におけるよりも、より実際の量に近い演算値を得ることができる。

なお、上記の説明では、堆積したＰＭの数量を推定して、ＰＭ数量値を故障判定の判断値としたが、堆積したＰＭの質量を推定して、ＰＭ質量値を故障判定の判断値とすることもできる。その場合には、前記したＰＭの粒径を演算する工程と粒径と質量からＰＭ数量を演算する工程とが省略される。

図６は、本発明による粒子状物質数量推定システムを備えた内燃機関回りを示す他の概略構成図であり、ここでは、エンジン１０の燃焼室１１に圧力定量装置１３が備えられるとともに、インマニ圧センサ２４は省略されている。また、コントロールユニット７０には、ＰＭ移動度関係マップ７２に替えて、ＰＭの移動度と前記圧力定量装置１３で検出した燃昇圧より算出した水蒸気濃度との関係をデータ化したマップ７４が備えられる。これらの点を除き、エンジン回りの構成は図１に示したものと同じであり、同じ部材には同じ符号を付すことで、説明は省略する。

この態様の粒子状物質数量推定システムにおいても、図１に基づき説明した、ＰＭ移動度とＥＣＵ８０でマップ演算した水蒸気濃度との関係をデータ化したマップであるＰＭ移動度関係マップ７２を備えた形態のシステムと同じ作用効果を奏することができることは、説明を要しない。

１０…エンジン(内燃機関)、
１１…燃焼室、
１２…インジェクタ、
２０…給気マニホールド、
２１…給気通路、
２２…エアフローセンサ、
２３…スロットルバルブ、
２４…圧力センサ（インマニ圧センサ）、
３０…排気マニホールド、
３１…排気通路、
３２…ＥＧＲ通路、
３３…ＥＧＲバルブ、
４０…ターボチャージャ、
４１…コンプレッサ、
４２…タービン、
５０…排気浄化装置、
５１…酸化触媒（ＤＯＣ）、
５２…ＤＰＦ、
６０…ＰＭ定量装置、
６１…ＰＭを捕集する捕集部、
６２…加熱手段、
６１２…櫛歯電極、
６１３…電気信号を取り出すための端子、
６２３…熱線、
７０…ＰＭ定量装置のためのコントロールユニット、
７１…堆積質量関係マップ、
７２…ＰＭ移動度関係マップ、
７３…水蒸気濃度補正マップ、
８０…ＥＣＵ、
８１…空燃比と排気ガスの水蒸気濃度との関係をデータ化したマップ。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気ガス流路に備えた粒子状物質定量装置によって排気ガス中の粒子状物質を推定する粒子状物質数量推定システムであって、
   前記粒子状物質定量装置は、絶縁板上に互いに離れて向かい合うように配置された一対の櫛歯電極を備え、該一対の櫛歯電極間の電気抵抗変化を検出することで、当該一対の櫛歯電極間の上に堆積した粒子状物質の質量を算出するようにした粒子状物質定量装置であり、
   前記粒子状物質数量推定システムは、
   車載式故障診断装置が採用する粒子状物質規定数量を設定する工程と、
   コントロールユニットが前記粒子状物質定量装置の出力から堆積質量関係マップにより粒子状物質質量を推定する工程と、
   コントロールユニットが粒子状物質移動度関係マップを用いて粒子状物質移動度を求める工程と、
   ＥＣＵが備えるエンジンの空燃比と排気ガス中の水蒸気濃度との関係をデータ化したマップから水蒸気濃度を推定する工程と、
   補正した水蒸気濃度から水蒸気濃度補正マップを用いて粒子状物質移動度変化率を求め、前記粒子状物質移動度変化率により粒子状物質移動度の補正を行なう工程と、
   補正した粒子状物質移動度を用いて、堆積質量関係マップにより推定した粒子状物質質量から排気ガス中の粒子状物質排出量を推定する工程と、
   燃焼温度から推定される粒子状物質の粒子径を用いて、粒子状物質排出量と粒子径から粒子状物質数量を推定する工程と、
   コントロールユニット内で、粒子状物質堆積数量が設定した粒子状物質規定数量を上回っているかの判定を行う工程と、
   粒子状物質堆積数量が粒子状物質規定数量を上回っている場合には、コントロールユニットは故障警告信号をＥＣＵに出力する工程と、
   を含むことを特徴とする、粒子状物質数量推定システム。

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