JP2019120222A

JP2019120222A - 堆積量算出装置および堆積量算出方法

Info

Publication number: JP2019120222A
Application number: JP2018001754A
Authority: JP
Inventors: 直人村澤; Naoto Murasawa; 藤井　謙治; Kenji Fujii; 謙治藤井; 隆之椋梨; Takayuki Kurenashi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】微粒子捕集フィルタにおける微粒子の堆積量を高精度に算出する堆積量算出装置および堆積量算出方法を提供すること。【解決手段】排ガスに含まれる微粒子を捕集するＤＰＦ３に堆積した微粒子の堆積量を算出する堆積量算出装置１００であって、現在の流動抵抗と、ＤＰＦ３が空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する変化率算出部１１０と、流動抵抗変化率に基づいて、堆積量を算出する堆積量算出部１２０と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する堆積量算出装置および堆積量算出方法に関する。

従来、車両の内燃機関の排ガスに含まれる微粒子（粒子状物質ともいう）を捕集する微粒子捕集フィルタに関し、その微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する技術が知られている。

例えば特許文献１には、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の上流側と下流側の差圧に基づいて、ＤＰＦに堆積した微粒子の堆積量を算出する方法が開示されている。

国際公開第２０１３／１３６４７０号

しかしながら、差圧のみに基づいて堆積量を算出する方法には改善の余地があった。

本開示の目的は、微粒子捕集フィルタにおける微粒子の堆積量を高精度に算出することができる堆積量算出装置および堆積量算出方法を提供することである。

本開示の態様の堆積量算出装置は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する堆積量算出装置であって、現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する変化率算出部と、前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する堆積量算出部と、を有する。

本開示の態様の堆積量算出方法は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する装置が行う堆積量算出方法であって、現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出し、前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する。

本開示によれば、微粒子捕集フィルタにおける微粒子の堆積量を高精度に算出することができる。

本発明の実施の形態に係る後処理装置および堆積量算出装置の一例を示す模式図本発明の実施の形態に係る第１のマップの一例を示す図本発明の実施の形態に係る第２のマップの一例を示す図本発明の実施の形態に係る堆積量算出装置の動作の一例を示すフローチャート比較例の算出方法に係るマップの一例を示す図レイノルズ数に応じた流動抵抗の範囲の違いの一例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本実施の形態に係る後処理装置１０および堆積量算出装置１００について説明する。図１は、後処理装置１０および堆積量算出装置１００の構成の一例を示す模式図である。図１において、実線の矢印は、排ガスの流れを示しており、破線の矢印は、電気信号の流れを示している。

後処理装置１０は、排ガス流路１（例えば、排気管）に、浄化手段として、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２およびＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３を有し、それらによって車両のディーゼルエンジン（図示略。内燃機関の一例）から排出される排ガスに含まれる有害成分を浄化する。なお、本実施の形態では、内燃機関がディーゼルエンジンである場合を例に挙げて説明するが、ディーゼルエンジン以外の内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）であってもよい。

ディーゼルエンジンから排出された排ガスは、実線の矢印に示すように、排ガス流路１を図中の左側から図中の右側へ流れる。よって、排ガスは、ＤＯＣ２、ＤＰＦ３の順に通過する。

ＤＯＣ２（酸化触媒の一例）は、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）や炭化水素（ＨＣｓ）を酸化させて二酸化炭素および水に還元することにより、排ガスを浄化する触媒である。

ＤＰＦ３（微粒子捕集フィルタの一例）は、排ガス中の微粒子（例えば、煤）を捕集するフィルタである。捕集された微粒子は、ＤＰＦ３に堆積する。

ＤＯＣ２およびＤＰＦ３を通過した排ガスは、排出口（図示略）から車外へ排出される。

また、ＤＰＦ３の上流側には、ＤＰＦ３の上流側の排ガスの温度（以下、単に、温度という）を検出する温度センサ４が設けられている。温度センサ４は、適宜、検出された温度を示す温度信号を堆積量算出装置１００へ出力する。

また、ＤＰＦ３の上流側の排気圧と下流側の排気圧との差圧（以下、単に、差圧という）を検出する差圧センサ５が設けられている。差圧センサ５は、適宜、検出された差圧を示す差圧信号を堆積量算出装置１００へ出力する。

また、流速センサ６は、ディーゼルエンジンの吸気側の空気の流速（以下、単に、流速という）を検出するセンサであり、図示しない吸気管（例えば、エアクリーナの下流側）に設けられている。流速センサ６は、適宜、検出された流速を示す流速信号を堆積量算出装置１００へ出力する。

また、大気圧センサ７は、大気圧を検出するセンサであり、車両の所定位置に設けられている。大気圧センサ７は、適宜、検出された大気圧を示す大気圧信号を堆積量算出装置１００へ出力する。

堆積量算出装置１００は、ＤＰＦ３に堆積した微粒子の量（以下、堆積量という）を算出する装置である。

堆積量算出装置１００は、後処理装置１０と同じ車両に搭載される。堆積量算出装置１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ、および通信回路（いずれも図示略）を有する。後述する各部の機能は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。

堆積量算出装置１００は、変化率算出部１１０と、堆積量算出部１２０とを有する。

まず、変化率算出部１１０は、現在の流動抵抗を算出する。

具体的には、変化率算出部１１０は、まず、温度センサ４から受け取った温度信号が示す温度、および、差圧センサ５から受け取った差圧信号が示す差圧と大気圧センサ７から受け取った大気圧信号が示す大気圧との和に基づいて、排ガスの密度を算出する。

そして、変化率算出部１１０は、差圧センサ５から受け取った差圧信号が示す差圧、流速センサ６から受け取った流速信号が示す流速、および、排ガスの密度に基づいて、ダルシー・ワイズバッハの式を用いて、現在の流動抵抗を算出する。

次に、変化率算出部１１０は、ＤＰＦ３が空（微粒子が堆積していない状態）のときの流動抵抗（以下、空ＤＰＦの流動抵抗という）を算出する。

具体的には、変化率算出部１１０は、まず、現在のレイノルズ数を算出する。ここで、レイノルズ数は、排ガスの流速を表わす無次元量であり、排ガスの密度、流速、粘度、排ガス流路１の径などに基づいて算出される。例えば、変化率算出部１１０は、ＤＰＦ３の入口の排ガスの平均流速と排ガス流路１の直径との積を、排ガスの動粘性係数で割ることにより、レイノルズ数を算出してもよいし、または、排ガスの動粘性係数の逆数とＤＰＦ３の入口の排ガスの流量とを掛けることにより、レイノルズ数を算出してもよい。なお、レイノルズ数の算出方法は、上述した以外の公知の算出方法であってもよい。

そして、変化率算出部１１０は、レイノルズ数に応じて流動抵抗が予め定められた第１のマップから、現在のレイノルズ数に該当する空ＤＰＦの流動抵抗を特定する。

図２は、予め実施された実験やシミュレーション等により得られた第１のマップの一例を示す図である。図２に示すように、第１のマップでは、レイノルズ数（Ｒｅ数）が大きくなるほど、空ＤＰＦの流動抵抗が小さくなるように定められている。

次に、変化率算出部１１０は、現在の流動抵抗を空ＤＰＦの流動抵抗で割って流動抵抗変化率を算出する。

堆積量算出部１２０は、変化率算出部１１０により算出された流動抵抗変化率に基づいて、ＤＰＦ３における堆積量を算出する。

具体的には、堆積量算出部１２０は、流動抵抗変化率に応じて堆積量が予め定められた第２のマップから、変化率算出部１１０により算出された流動抵抗変化率に該当する堆積量を特定する。

図３は、予め実施された実験やシミュレーション等により得られた第２のマップの一例を示す図である。図３に示すように、第２のマップでは、流動抵抗変化率が大きくなるほど、堆積量が大きくなるように定められている。

本実施の形態では、流動抵抗変化率を用いることでレイノルズ数の依存性がなくなるので、どのレイノルズ数の領域の流動抵抗変化率と堆積量の関係を表しても同じ結果となる。実際には微小な誤差が発生するので、例えば、低レイノルズ数、中レイノルズ数、高レイノルズ数の平均値を使うことが好ましい。図３に示す流動抵抗変化率と堆積量との関係は、例えば、高レイノルズ数（例えば、９０）、中レイノルズ数（例えば、４５）、低レイノルズ数（例えば、１０）それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を平均化したものである。

以上、堆積量算出装置１００の構成について説明した。

次に、本実施の形態に係る堆積量算出装置１００の動作について、図４を用いて説明する。図４は、堆積量算出装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。図４に示すフローは、例えば、ディーゼルエンジンの駆動開始後に行われる。

まず、変化率算出部１１０は、現在の流動抵抗を算出する（ステップＳ１０１）。

次に、変化率算出部１１０は、空ＤＰＦの流動抵抗を算出する（ステップＳ１０２）。

次に、変化率算出部１１０は、現在の流動抵抗と、空ＤＰＦの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する（ステップＳ１０３）。

次に、堆積量算出部１２０は、流動抵抗変化率に基づいて、堆積量を算出する（ステップＳ１０４）。

以上、堆積量算出装置１００の動作について説明した。

ここまで詳述したように、本実施の形態の堆積量算出装置１００によれば、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる微粒子を捕集するＤＰＦ３に堆積した微粒子の堆積量を算出する装置であって、現在の流動抵抗と、空ＤＰＦの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する変化率算出部１１０と、流動抵抗変化率に基づいて、堆積量を算出する堆積量算出部１２０と、を有する。これにより、ＤＰＦ３の上流側と下流側の差圧のみに基づいて堆積量を算出する方法に比べて、堆積量を高精度に算出することができる。

ここで、本実施の形態の比較例として、流動抵抗およびレイノルズ数に基づいて堆積量を算出する方法（以下、比較例の算出方法という）について、説明する。

一般的に、流動抵抗は、高レイノルズ数の場合、レイノルズ数に依存しないが、低レイノルズ数の場合、レイノルズ数によって変化する。そのため、比較例の算出方法では、レイノルズ数および流動抵抗に応じて堆積量が定められたマップを用いて堆積量を算出することになる。このマップの一例を図５Ａに示す。

図５Ａにおいて、範囲Ｘは、所定の低レイノルズ数に対応する流動抵抗の範囲を示しており、範囲Ｙは、所定の高レイノルズ数に対応する流動抵抗の範囲を示している。この範囲Ｘおよび範囲Ｙを二次元で示すと、図５Ｂのようになる。図５Ａ、図５Ｂから明らかなように、レイノルズ数が低い場合と大きい場合とでは、流動抵抗の範囲は大きく異なる。

よって、図５Ａに示したマップでは、レイノルズ数および流動抵抗に対応する堆積量を細かく設定しないと、堆積量の算出を高精度に行うことができないおそれがある。

これに対して、本実施の形態の堆積量算出装置１００は、図５Ａに示したマップを使用する必要がないため、レイノルズ数の依存性を排除した堆積量の算出を実現できる。

なお、本発明は、上述の実施の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、実施の形態では、第２のマップが、高レイノルズ数、中レイノルズ数、および低レイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を平均化して定めたものである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。

第２のマップは、例えば、高レイノルズ数、中レイノルズ数、および低レイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を別々に定めたものであってもよい。

その場合、堆積量算出部１２０は、第２のマップから、変化率算出部１１０により算出された現在のレイノルズ数および流動抵抗変化率に該当する堆積量を特定する。

また、実施の形態では、レイノルズ数を用いる場合を例に挙げたが、レイノルズ数に限定されず、レイノルズ数と同様の特性を持つ値を用いてもよい。例えば、排ガスの粘性および慣性についての指標（例えば、排ガスの密度、流速、粘度、排ガス流路の径のうち少なくとも１つを用いて算出される値）を用いてもよい。

＜本開示のまとめ＞
本発明の堆積量算出装置は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する堆積量算出装置であって、現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する変化率算出部と、前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する堆積量算出部と、を有する。

なお、上記堆積量算出装置において、前記変化率算出部は、前記微粒子捕集フィルタの上流側と下流側との排気圧の差圧と、前記内燃機関の吸気側の空気の流速と、前記排ガスの密度とに基づいて、前記現在の流動抵抗を算出し、レイノルズ数に応じて流動抵抗が予め定められた第１のマップから、現在のレイノルズ数に該当する前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗を特定し、前記現在の流動抵抗を前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗で割って前記流動抵抗変化率を算出してもよい。

また、上記堆積量算出装置において、前記堆積量算出部は、流動抵抗変化率に応じて堆積量が予め定められた第２のマップから、算出された前記流動抵抗変化率に該当する前記堆積量を特定してもよい。

また、上記堆積量算出装置において、前記第２のマップは、大きさが異なる複数のレイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を平均化して定めたものであってもよい。

また、上記堆積量算出装置において、前記第２のマップは、大きさが異なる複数のレイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を別々に定めたものであり、前記堆積量算出部は、前記第２のマップから、前記現在のレイノルズ数および算出された前記流動抵抗変化率に該当する前記堆積量を特定してもよい。

本発明の堆積量算出方法は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する装置が行う堆積量算出方法であって、現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出し、前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する。

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する技術に適用できる。

１排ガス流路
２ＤＯＣ
３ＤＰＦ
４温度センサ
５差圧センサ
６流速センサ
７大気圧センサ
１０後処理装置
１００堆積量算出装置
１１０変化率算出部
１２０堆積量算出部

Claims

内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する堆積量算出装置であって、
現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出する変化率算出部と、
前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する堆積量算出部と、を有する、
堆積量算出装置。
前記変化率算出部は、
前記微粒子捕集フィルタの上流側と下流側との排気圧の差圧と、前記内燃機関の吸気側の空気の流速と、前記排ガスの密度とに基づいて、前記現在の流動抵抗を算出し、
レイノルズ数に応じて流動抵抗が予め定められた第１のマップから、現在のレイノルズ数に該当する前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗を特定し、
前記現在の流動抵抗を前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗で割って前記流動抵抗変化率を算出する、
請求項１に記載の堆積量算出装置。
前記堆積量算出部は、
流動抵抗変化率に応じて堆積量が予め定められた第２のマップから、算出された前記流動抵抗変化率に該当する前記堆積量を特定する、
請求項２に記載の堆積量算出装置。
前記第２のマップは、
大きさが異なる複数のレイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を平均化して定めたものである、
請求項３に記載の堆積量算出装置。
前記第２のマップは、
大きさが異なる複数のレイノルズ数それぞれの流動抵抗変化率と堆積量との関係を別々に定めたものであり、
前記堆積量算出部は、
前記第２のマップから、前記現在のレイノルズ数および算出された前記流動抵抗変化率に該当する前記堆積量を特定する、
請求項３に記載の堆積量算出装置。
内燃機関の排ガスに含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタに堆積した微粒子の堆積量を算出する装置が行う堆積量算出方法であって、
現在の流動抵抗と、前記微粒子捕集フィルタが空のときの流動抵抗とに基づいて、流動抵抗変化率を算出し、
前記流動抵抗変化率に基づいて、前記堆積量を算出する、
堆積量算出方法。