JP2020026732A - 検出装置、検出方法及び、検出装置を備えた排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再生インターバル間にアッシュの堆積を効果的に検出する。【解決手段】内燃機関１０から排出される排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタ３２のアッシュ堆積を検出する検出装置であって、フィルタ３２の排気入口側と出口側との実差圧を取得する差圧センサ９４と、フィルタ３２に堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されるまでの再生インターバル間に、差圧センサ９４により取得される実差圧の上昇度合いに基づいて、フィルタ３２にアッシュが堆積したか否かを判定する判定部１２０とを備えた。【選択図】図１

Description

本開示は、検出装置、検出方法及び、検出装置を備えた排気浄化装置に関する。

この種の排気浄化装置として、エンジンの排気中の粒子状物質（Particulate Matter:以下、ＰＭ）を捕集するパティキュレイト・フィルタ（以下、フィルタ）を備えるものが知られている。

フィルタに堆積するＰＭには、主としてエンジンから排出される煤（スート成分）の他、エンジンオイル成分も含まれる。このうち、煤はフィルタ再生によって燃焼除去されるが、エンジンオイルは燃え残り、不燃性のアッシュ（灰）としてフィルタ内に残存する。このため、フィルタに堆積したアッシュを定期的な洗浄等によって除去するメンテナンスが必要となる。

例えば、特許文献１には、フィルタ再生中のフィルタ前後差圧及び、排気流量等に基づいて、フィルタのアッシュ堆積量を推定する技術が開示されている。

特開２００９−２７０５０３号公報

フィルタに堆積するアッシュには、主としてフィルタのセル隔壁に堆積する壁面アッシュと、主としてセルの下流端開口を閉塞するプラグに堆積するプラグ・アッシュとがある。このうち、プラグ・アッシュは、フィルタ再生時等の高温下で、セル隔壁に付着したアッシュが凝集して下流側に流されることにより蓄積される。

このようなプラグ・アッシュの堆積が進むと、フィルタのＰＭの堆積に偏りが生じる偏堆積が引き起こされやすくなる。ＰＭが偏堆積した状態でフィルタ再生を行うと、フィルタの内部温度差が大きくなることで、フィルタに破損等を生じさせる場合がある。このため、フィルタ再生を実行するよりも前段階の再生インターバル間に、プラグ・アッシュの堆積を効果的に検出し、再生インターバルを適切に制御することが望まれる。

本開示の技術は、再生インターバル間にアッシュの堆積を効果的に検出することを目的とする。

本開示の検出装置は、内燃機関から排出される排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタのアッシュ堆積を検出する検出装置であって、前記フィルタの排気入口側と出口側との実差圧を取得する取得手段と、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されるまでの再生インターバル間に、前記取得手段により取得される前記実差圧の上昇度合いに基づいて、前記フィルタにアッシュが堆積したか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記内燃機関から排出される排気中の粒子状物質量を推定する推定手段をさらに備え、前記判定手段は、前記再生インターバル間に、前記推定手段により推定される前記粒子状物質量の積算値に応じた前記フィルタの推定差圧に対して、前記取得手段により取得される前記実差圧の上昇度合いが所定の閾値を超えると、前記フィルタにアッシュが堆積したと判定することが好ましい。

また、前記判定手段は、前記フィルタのセルの下流端開口を閉塞するプラグ部にアッシュが堆積したか否かを判定することが好ましい。

本開示の検出方法は、内燃機関から排出される排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタのアッシュ堆積を検出する検出方法であって、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されるまでの再生インターバル間に、前記フィルタの排気入口側と出口側との実差圧を取得すると共に、取得される前記実差圧の上昇度合いに基づいて、前記フィルタにアッシュが堆積したか否かを判定することを特徴とする。

本開示の排気浄化装置は、前記検出装置を備える排気浄化装置であって、前記フィルタの排気上流側に設けられた酸化触媒と、前記酸化触媒に未燃燃料を供給可能な燃料噴射手段と、前記判定手段により前記フィルタにアッシュが堆積したと判定されると、前記燃料噴射手段に前記未燃燃料を噴射させて前記フィルタ再生を実行する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。

本開示の技術によれば、再生インターバル間にアッシュの堆積を効果的に検出することができる。

本実施形態に係る内燃機関の排気系を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る差圧マップを説明する模式図である。 ＰＭ堆積に伴うフィルタの差圧の上昇挙動を説明する図である。 本実施形態に係る検出処理及び、フィルタ再生処理を説明するフローチャート図である。 （Ａ）は、本実施形態のフィルタ再生を説明するタイミングチャート図であり、（Ｂ）は、比較例のフィルタ再生を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態の作用効果を説明する模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る検出装置、検出方法及び、検出装置を備えた排気浄化装置について説明する。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は、本実施形態に係る内燃機関の排気系を示す模式的な全体構成図である。同図に示すように、エンジン（内燃機関）１０の各気筒には、筒内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタ１１（燃料噴射手段の一例）が設けられている。筒内インジェクタ１１の燃料噴射量や噴射タイミング、噴射回数等は、電子制御ユニット（Electronic Control Unit：以下、ＥＣＵ）１００から入力される指示信号に応じて制御される。

エンジン１０の排気マニホールド１２には、排気を導出する排気通路１３が接続されている。排気通路１３には、排気上流側から順に排気管インジェクタ２０（燃料噴射手段の一例）、排気浄化装置３０等が設けられている。

排気浄化装置３０は、ケース３０Ａ内に排気上流側から順に酸化触媒３１及び、フィルタ３２を配置して構成されている。酸化触媒３１の直下流（出口部）には、フィルタ３２に流入する排気の温度Ｔを取得する排気温度センサ９３が設けられている。また、フィルタ３２の排気入口部及び排気出口部には、フィルタ３２の前後の実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔを取得する差圧センサ９４（取得手段）が設けられている。これら各センサ９３，９４のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ１００に出力される。

酸化触媒３１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等を担持して形成されている。酸化触媒３１は、筒内インジェクタ１１のポスト噴射や排気管インジェクタ２０の排気管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。

フィルタ３２は、例えば、多孔質性の隔壁３２Ａで区画された多数のセル３２Ｃを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流端と下流端とをプラグ３２Ｂによって交互に目封止して形成されている。

フィルタ３２は、排気中のＰＭを隔壁３２Ａの細孔や表面に捕集すると共に、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去するフィルタ再生が実施される。フィルタ再生は、筒内インジェクタ１１のポスト噴射及び、又は排気管インジェクタ２０の排気管噴射によって酸化触媒３１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、フィルタ３２に流入する排気の温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで上昇させることにより行われる。フィルタ再生の詳細については後述する。

エンジン回転数センサ９０は、エンジン１０の不図示のクランクシャフトからエンジン回転数を取得する。アクセル開度センサ９１は、不図示のアクセルペダルの踏み込み量に応じたエンジン１０の燃料噴射量（筒内インジェクタ１１への指示値）を取得する。これら各センサ９０，９１のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ１００に出力される。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ１００は、ＰＭ排出量推定部１１０（推定手段）と、プラグ・アッシュ堆積判定部１２０（判定手段）と、フィルタ再生制御部１３０（制御手段）とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ１００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排出量推定部１１０は、エンジン１０から排出される排気中のＰＭ排出量Ｍ_＿Ｏｕｔを推定する。ＰＭ排出量Ｍ_＿Ｏｕｔの推定値は、エンジン１０の運転状態や排気状態量等を入力値として含むモデル式、或は、これら運転状態や排気状態量に基づいて参照されるマップ等から求めればよい。エンジン１０の運転状態は、例えば、エンジン回転数センサ９０やアクセル開度センサ９１等により取得すればよい。排気状態量は、例えば、排気温度センサ９３、不図示の流量センサ等から取得すればよい。

プラグ・アッシュ堆積判定部１２０は、フィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されまでの再生インターバル間に、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したか否かを判定する。より詳しくは、ＥＣＵ１００のメモリには、図２に示す差圧マップＭ１が格納されている。この差圧マップＭ１には、予め実験等により取得した、エンジン１０から排出されるＰＭの積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}と、フィルタ３２の基準差圧（推定差圧）ΔＰ_＿ＳＴとの関係が規定されている。ここで、ＰＭの積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}は、フィルタ３２に捕集されて堆積するＰＭ堆積量と実質的に略同値であって、該積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}の増加に伴い基準差圧ΔＰ_＿ＳＴも次第に上昇するように設定されている。

プラグ・アッシュ堆積判定部１２０は、まず、再生インターバル間に、ＰＭ排出量推定部１１０から入力されるＰＭ排出量Ｍ_＿Ｏｕｔをリアルタイムに積算してＰＭの積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}を求めると共に、差圧マップＭ１を積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}に基づいて参照することにより基準差圧ΔＰ_＿ＳＴを読み取る。そして、プラグ・アッシュ堆積判定部１２０は、読み取った基準差圧ΔＰ_＿ＳＴと、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔとを比較することにより、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したか否かを判定する。

ここで、ＰＭ堆積に伴うフィルタ３２の差圧ΔＰの上昇挙動を図３に模式的に示す。図３において、横軸は再生インターバルの経過時間ＴＭであり、縦軸はフィルタ３２の差圧ΔＰである。また、図中の破線Ｌ１は、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積していない場合の差圧ΔＰの上昇挙動を示し、実線Ｌ２は、フィルタ３２にプラグ・アッシュの堆積が進んだ場合の差圧ΔＰの上昇挙動を示している。図３から明らかなように、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積すると、フィルタ３２のＰＭ捕集可能な壁面積が減少し、さらに、排気の流通抵抗が増加することで、実線Ｌ２で示す差圧ΔＰ２，ΔＰ２’は、破線Ｌ１で示す差圧ΔＰ１，ΔＰ１’よりも大きく上昇することになる。すなわち、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔが、基準差圧ΔＰ_＿ＳＴに対して大きく上昇した場合には、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したものと推測することができる。

プラグ・アッシュ堆積判定部１２０は、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔの基準差圧ΔＰ_＿ＳＴに対する上昇率ΔＰ％（上昇度合い）が所定の閾値Ｐ_＿ｔｈｖを超えると、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したと判定する。閾値Ｐ_＿ｔｈｖは、例えば、フィルタ３２の容量等に応じて設定される値であって、予め実験等により取得してＥＣＵ１００のメモリに格納しておけばよい。

フィルタ再生制御部１３０は、プラグ・アッシュ堆積判定部１２０によってフィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したと判定されると、フィルタ３２のＰＭ捕集能力に余力がある状態であっても、フィルタ３２からＰＭ（煤）を燃焼除去するフィルタ再生を実行する。フィルタ再生は、ポスト噴射及び、又は排気管噴射によって酸化触媒３１に未燃燃料を供給し、フィルタ３２に流入する排気の温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることにより行われる。フィルタ再生時の燃料噴射量は、例えば、目標となるＰＭ燃焼温度と、排気温度センサ９３により取得される排気温度Ｔとの偏差ΔＴに基づいてフィードバック制御すればよい。フィルタ再生は、例えば、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔが所定の下限差圧ΔＰ_＿Ｍｉｎまで低下すると終了する。

次に、図４に基づいて、本実施形態に係る検出処理及び、フィルタ再生処理のフローを説明する。

ステップＳ１００では、フィルタ再生が終了したか否かを判定する。フィルタ再生の終了は、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔが所定の下限差圧ΔＰ_＿Ｍｉｎまで低下したか否かで判定すればよい。フィルタ再生が終了した場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、エンジン１０の運転状態等に基づいて推定されるＰＭ排出量Ｍ_＿Ｏｕｔを積算することにより、ＰＭの積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}を演算する。次いで、ステップＳ１２０では、演算された積算値Ｍ_{＿Ｏｕｔ＿Ｓｕｍ}に基づいて差圧マップＭ１を参照することにより、基準差圧ΔＰ_＿ＳＴを読み取る。

ステップＳ１３０では、差圧センサ９４により取得される実差圧ΔＰ_＿Ａｃｔの基準差圧ΔＰ_＿ＳＴに対する上昇率ΔＰ％を求める。次いで、ステップＳ１４０では、上昇率ΔＰ％が所定の閾値Ｐ_＿ｔｈｖを超えたか否かを判定する。上昇率ΔＰ％が閾値Ｐ_＿ｔｈｖを超えた場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップＳ１５０に進み、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したと判定する。ステップＳ１６０では、フィルタ３２からＰＭを燃焼除去するフィルタ再生を開始し、その後、本制御はリターンされる。

次に、本実施形態に係る検出装置、検出方法及び、検出装置を備えた排気浄化装置の作用効果を、比較例を用いながら説明する。

図５（Ｂ）は、比較例のフィルタ再生を説明するタイミングチャート図である。同図に示すように、一般的なフィルタ再生は、フィルタ３２のＰＭ堆積量が上限閾値Ｍ_＿Ｍａｘに達すると開始される（時刻ｔ_１，ｔ_３参照）。このため、再生インターバル（時刻ｔ_２〜ｔ_３参照）が長くなり、また、フィルタ３２にＰＭが多量に堆積した状態でフィルタ再生を行うことになる。その結果、フィルタ３２にＰＭが偏堆積している状態でフィルタ再生を行うと、フィルタ３２の内部温度差が非常に大きくなることで、フィルタ３２に破損等を生じさせるといった課題がある。

これに対し、図５（Ａ）に示す本実施形態では、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積したと判定されるとフィルタ再生を開始する（時刻ｔ_１，ｔ_３参照）。すなわち、フィルタ３２のＰＭ捕集能力に余力がある状態であっても、フィルタ３２にプラグ・アッシュが堆積し始めると、フィルタ再生を開始するように構成されている。これにより、比較例よりも短い再生インターバル（時刻ｔ_２〜ｔ_３参照）でフィルタ再生が実行されようになり、また、比較例よりも少ないＰＭ堆積量でフィルタ再生を行うことで、フィルタ再生時にフィルタ３２の内部温度が低く抑えられるようになる。

フィルタ再生時の内部温度が低く抑えられると、図６（Ａ）に示すように、壁面アッシュＷＡの形成が促進されるようになる。さらに、図６（Ｂ）に示すように、壁面アッシュＷＡの形成により、該壁面アッシュＷＡを通過する排気Ｅ１の流通抵抗が増加すると、壁面アッシュＷＡとプラグ・アッシュＰＡとの抵抗がバランスすることで、プラグ・アッシュＰＡにも排気Ｅ２が流通するようになる。

プラグ・アッシュＰＡに排気Ｅ２が流通すると、図６（Ｃ）に示すように、壁面アッシュＷＡのみならずプラグ・アッシュＰＡにも煤Ｓが堆積するようになり、フィルタ３２のＰＭ捕集面積を効果的に拡大することが可能になる。また、フィルタ３２のＰＭ捕集面積が拡大することで、ＰＭの偏堆積を効果的に抑止することが可能になる。また、ＰＭの偏堆積が抑止されることで、フィルタ再生時にフィルタ３２の内部温度差が小さく抑えられるようになり、フィルタ３２の破損を効果的に防止することが可能になる。

なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示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、上記実施形態において、フィルタ再生は、ポスト噴射や排気管噴射によって行われるものとして説明したが、フィルタ３２に加熱ヒータ等を設け、該加熱ヒータによりＰＭを燃焼除去するように構成してもよい。また、エンジン１０は、図示例の４気筒に限定されず、単気筒、或いは、４気筒以外の多気筒エンジンであってもよい。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ 筒内インジェクタ（燃料噴射手段）
１３ 排気通路
２０ 排気管インジェクタ（燃料噴射手段）
３０ 排気浄化装置
３１ 酸化触媒
３２ フィルタ
３２Ａ 隔壁
３２Ｂ プラグ
３２Ｃ セル
９０ エンジン回転数センサ
９１ アクセル開度センサ
９３ 排気温度センサ
９４ 差圧センサ（取得手段）
１００ ＥＣＵ
１１０ ＰＭ排出量推定部（推定手段）
１２０ プラグ・アッシュ堆積判定部（判定手段）
１３０ フィルタ再生制御部（制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関から排出される排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタのアッシュ堆積を検出する検出装置であって、
   前記フィルタの排気入口側と出口側との実差圧を取得する取得手段と、
   前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されるまでの再生インターバル間に、前記取得手段により取得される前記実差圧の上昇度合いに基づいて、前記フィルタにアッシュが堆積したか否かを判定する判定手段と、を備える
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記内燃機関から排出される排気中の粒子状物質量を推定する推定手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記再生インターバル間に、前記推定手段により推定される前記粒子状物質量の積算値に応じた前記フィルタの推定差圧に対して、前記取得手段により取得される前記実差圧の上昇度合いが所定の閾値を超えると、前記フィルタにアッシュが堆積したと判定する
   請求項１に記載の検出装置。
3. 前記判定手段は、前記フィルタのセルの下流端開口を閉塞するプラグ部にアッシュが堆積したか否かを判定する
   請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 内燃機関から排出される排気中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタのアッシュ堆積を検出する検出方法であって、
   前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生の終了後、次のフィルタ再生が開始されるまでの再生インターバル間に、前記フィルタの排気入口側と出口側との実差圧を取得すると共に、取得される前記実差圧の上昇度合いに基づいて、前記フィルタにアッシュが堆積したか否かを判定する
   ことを特徴とする検出方法。
5. 請求項１から３の何れか一項に記載の検出装置を備える排気浄化装置であって、
   前記フィルタの排気上流側に設けられた酸化触媒と、
   前記酸化触媒に未燃燃料を供給可能な燃料噴射手段と、
   前記判定手段により前記フィルタにアッシュが堆積したと判定されると、前記燃料噴射手段に前記未燃燃料を噴射させて前記フィルタ再生を実行する制御手段と、をさらに備える
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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