JP2540913B2 - パティキュレ―トトラップの再燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パティキュレートトラップの再燃焼装置に
関し、特にパティキュレートトラップ（以下、単にトラ
ップと略称する）の再燃焼の終了時を制御する装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来のトラップの再燃焼装置で再燃焼終了を制御する
周知のものとしては、例えば特開昭61−1816号公報の装
置がある。この装置においては、再燃焼開始から一定の
時間が経過すると再燃焼が終了したと判定し再燃焼動作
を終了させている。ところが、最適な再燃焼時間は、パ
ティキュレートの捕集量、トラップの温度、排気ガス流
量等によって変わるので、上記の特開昭61−1816号公報
の装置のように、これを一定に設定すると下記のような
問題点があった。

即ち、設定時間が長過ぎると、再燃焼が終了している
にもかかわらずトラップは依然再燃焼状態に保持され、
バイパス弁が開き続けていることによりバイパス管を介
してパティキュレートを大気中に放出し続ける。反対に
設定時間が短か過ぎると捕集されたパティキュレートが
全て再燃焼しない内にトラップを捕集状態に戻してしま
うことになる。従って、燃え残ったパティキュレートが
ドライ化して燃え難くなり、ますます再燃焼が困難とな
るとともに燃え残りがあるため短い時間で捕集終了状態
となり再燃焼の回数が増える（パティキュレートを大気
中に放出する機会が増える）という問題点があった。

そこで、本出願人は、これらの問題点を解決するもの
として特願昭61−280309号の装置を提案した。

この装置を第３図に基づいて簡単に説明すると、通常
のパティキュレート再燃焼時に、制御手段（CPU）14は
トラップ１の入口部及び出口部にそれぞれ設けたO₂（酸
素）センサ2a、2bによってトラップ１の入口部及び出口
部における各排気ガス中のO₂濃度をその濃度に比例した
電圧値として検出し、比較している。

排気ガス中のO₂濃度は、パティキュレート捕集時には
トラップ１の入口部と出口部で同じ値となっている。し
かし、再燃焼時にはトラップ１内で排気ガス中のO₂が再
燃焼によって消費されることからトラップ１の入口部よ
り出口部でのO₂濃度が低くなり、トラップ１前後のO₂濃
度差が大きくなる。その後、再燃焼工程が終わりに近づ
くにつれてO₂の消費量が減るので、入口部と出口部での
O₂濃度差は小さくなり、燃焼が終了すると再び捕集時と
同様に同じ値に戻る。

そこで、制御手段14は、再燃焼を開始してからO2セン
サ2a、2bの出力が等しくなった時、再燃焼が終了したと
判定し、入口弁７及びバイパス弁９を第３図の実線で示
すパティキュレート捕集状態に戻し、再燃焼動作を終了
させる。

このようにして、パティキュレートの再燃焼状態に応
じて再燃焼の終了時期の制御を行っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の特願昭61−280309号に開示した装置で用いたO2
センサはリーン空燃比（A/F）センサとも呼ばれるもの
で第４図に一例を示す如くポンプセル１、このポンプセ
ル１の両側に設けた白金電極２、スペーサ３、センサセ
ル４、このセンサセル４の両側に設けた白金電極５、セ
ンサセル４に発生する電圧を検出するための電圧計６と
ポンプセル１の電源回路７とで構成されるものである。

このA/Fセンサによって排気ガス中のO₂濃度を検出す
るときは、ポンプセル１に電圧を加えリーク孔ｈからス
ペーサ３の空間Ｖ（測定室）のO₂を汲み出すことにより
電極５の両側に生ずるO₂濃度差に応じてセンサセル４に
発生する電圧を監視し、電圧が所定の値になったときポ
ンプセル１に流れる電流を測定する。このときのポンプ
セル１に流れる電流は排気ガス中のO₂濃度に比例するの
で、この電流からO₂濃度を検出することができる。

ところが、上記のA/Fセンサは、その原理上、センサ
周囲の圧力、排気ガスの流れにより出力（第４図ではV
s）が変化するものである。

このため、ガス流量等の周囲の影響を受けにくい構造
にすると、今度は応答性が悪くなるという欠点がある。

従って、必要な応答性を確保しつつできるだけ周囲の
影響を受けないように構成する必要があるが、両者をう
まく両立させることができず、A/Fセンサの出力には実
際のO2濃度に対して誤差が生じてしまうという精度上の
問題点があった。また、A/Fセンサ自体の構成が複雑な
ため、故障の発見が難しくコストも高くなるという問題
点もあった。

更に、特願昭61−280309号の装置では、トラップ前後
のO₂濃度差を検出して再燃焼終了を判定する必要がある
ため、上記のような高価なO₂センサ（A/Fセンサ）を２
個用いなければならない問題点があった。

そこで、本発明の目的は、A/FセンサとしてのO₂セン
サを使用せずに再燃焼終了の判定を行うことができる高
精度で構成が簡単なパティキュレートトラップの再燃焼
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明に係るパティキュ
レートトラップの再燃焼装置は、パティキュレートトラ
ップの出口部及び該トラップのバイパス管からの各排気
ガスに接するように配置されてそのO₂濃度差を検出する
O₂濃淡電池と、該O₂濃度差が終了判定値より小さくなっ
たときに再燃焼を終了させる制御手段と、を備えてい
る。

〔作用〕

本発明において、トラップの再燃焼時期が来て通常の
如く電気ヒーター等によりトラップの再燃焼工程を開始
させた後、制御手段は、トラップの出口部及びバイパス
管からのそれぞれの排気ガスに接するように設置された
O₂濃淡電池によって検出された各排気ガス中のO₂濃度の
差を読み込む。そして、このO₂濃度差を、再燃焼終了判
定のため予め記憶していた判定値と比較し、この判定値
より小さくなった時に再燃焼が終了したと判定し再燃焼
工程を終了させる。

このようにして、A/Fセンサを用いずに１個のO₂濃淡
電池によって精度よく再燃焼の終了を判定している。

〔実 施 例〕

以下、本発明に係るパティキュレートトラップの再燃
焼装置の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示したもので、１はト
ラップ、２はO₂濃淡電池、３は排気管、４はトラップ１
の入口側前面に取り付けられた電気ヒーター、５は電気
ヒーター４の電源Ｂを投入するためのヒーターリレー、
６はトラップの入口側に設置された温度センサー、７は
トラップ１へ流入するエンジンからの排気ガスを開閉す
るトラップ入口弁、８はトラップ１を側路するバイパス
管、９はバイパス管への排気ガス流を開閉するバイパス
弁、10及び11は弁７及び９をバキュームポンプVPからの
負圧により開閉制御するバキュームスイッチング弁（VS
V）、12はトラップ１の入口側圧力（対大気圧）を検出
する入口圧センサ、13はトラップ１の圧力損失、即ち前
後差圧を検出する差圧センサ、そして14は、O₂濃淡電池
２、センサ６、12及び13の検出信号に応答してヒーター
リレー５及びスイッチング弁10、11に制御信号を送る制
御手段としてのコントローラである。

尚、O₂濃淡電池２はトラップ１の出口部とバイパス管
８をそれぞれ流れる排気ガスに電極22、23が接するよう
配置されている。

第２図はコントローラ14で実行されるプログラムのフ
ローチャートを示す図で、この第２図のフローチャート
を参照しながら、以下、第１図のパティキュレートトラ
ップの再燃焼装置の動作を説明する。

通常のパティキュレート捕集時は、排気ガスをトラッ
プ１の側にのみ流すようにコントローラ14は入口弁７及
びバイパス弁９を第１図に示す通り制御する。

この状態でコントローラ14は常に入口圧センサ12及び
差圧センサ13の出力信号Ｐ及びP₁をそれぞれ入力する
（第２図のステップS1）。

次に、これら圧力の比P₁/Pと予め記憶していたパティ
キュレートの許容捕集状態を示す圧力比の基準値Ｋとを
比較する（同ステップS2）。

そして、基準値Ｋ≦P₁/Pとなった時をパティキュレー
トの補集完了状態と判断してトラップ１の再燃焼工程を
開始させる。

尚、パティキュレート捕集完了状態の判定は、上記の
ような圧力比によらずに、所定の走行距離又は所定の時
間経過によって行ってもよいし、これらを組み合わせて
行ってもよい。これらはいづれも周知の技術である。

再燃焼工程は種々良く知られているが、第２図の実施
例で説明すると、コントローラ14は、バイパス弁９を開
き、トラップ１の入口弁７を閉じるとともにヒーターリ
レー５を介して電気ヒーター４に通電しガス温度を上昇
させると同時にタイマ（図示せず）をスタートさせる
（同ステップS3）。弁７、９の制御は、それぞれ組み合
わされたスイッチング弁10および11のソレノイドに一定
のデューティ比をコントローラ14から与えることにより
為される。

次に、トラップ１の入口温度センサ６の検出温度が所
定値T₁に達したか否かをチェックし（ステップS4、S
5）、その所定値に達しないときには、所定値に達する
までステップS4、S5を繰り返す。このとき、入口弁７が
閉じているためトラップ１の入口温度は必ず上昇して行
きその所定値を越えた時は、入口弁７をθ_１だけ開きト
ラップ１に排気ガスを流す（同ステップS6）。

次に、コントローラ14は、トラップ前後差圧P₁を検出
し（同ステップS7）、この差圧P₁を予め記憶しておいた
設定値P₀（これは、再燃焼に最適な排気ガス量をトラッ
プ１に流すための、実験等で求めたトラップ１の基準前
後差圧）に合わすため、周知のPID動作制御を用いる。

即ち、検出差圧P₁を設定値P₀に合わすための入口弁７
の開度変更量（角度）Δθを下記のPID動作式（１）に
基づいて演算する（同ステップS8）。

Δθ＝K_P×ΔP_n＋K_I×ΔP_n＋Σ（K_I×ΔP_n-1） ＋K_D×（P_n−P_n-1） …（１） ここで、 Δθ：今回の入口弁７の開度変更量（角度）、 P_n:今回の検出差圧（ｎ＝１、２・・・・） P_n-1:前回の検出差圧、 ΔP_n:設定差圧P₀とP_nとの差、 K_P:比例定数、 K_I:積分定数、 K_D:微分定数、である。

そして、入口弁７の開度をθ_ｎ＋Δθとする（同ステ
ップS9）。

このようにして再燃焼工程を進め、入口温度がステッ
プS3で所定値に達してから所定時間T₁経過した時（同ス
テップS10）、電気ヒーター４をオフにする（同ステッ
プS11）。

続いて、再燃焼が終了したか否かをチェックするため
O₂濃淡電池２の出力電圧Ｅを読み込む（同ステップS1
2）。

ここで、本実施例に用いるO₂濃淡電池２について説明
すると、例えば、第１図に示す如くO₂イオン導電体であ
る安定化ジルコニア21の両側にガス極として多孔質白金
22、23を取り付けた構成のものが良く知られている。そ
して、O₂分圧P₀₂′、P₀₂″のガスが安定化ジルコニア21
の両側に接するとO₂濃淡電池となって両ガス極22、23に
次のネルンスト（Nernst）の式（２）による起電力Ｅが
発生する。

Ｅ＝（RT/4F）ln（P₀₂″/P₀₂′） …（２） ここで、F:ファラデー定数、 R:気体定数、 T:絶対温度、 P₀₂′、P₀₂″:O₂分圧、である。

従って、白金電極23に接するトラップ１の出口からの
排気ガス中のO₂分圧をP₀₂′、白金電極22に接するバイ
パス管８からの排気ガス中のO₂分圧をP₀₂"とすれば、そ
れぞれのO₂分圧間に差（濃度差）があるときはその分圧
比（P₀₂"/P₀₂′）に対応した電圧Ｅが検出できることに
なる。一方、各排気ガス中の濃度が等しいときは、
P₀₂″/P₀₂′＝１となるので、上記式（２）においてlN1
＝０から起電力Ｅはゼロとなる。

次に、コントローラ14は、検出した電圧Ｅと予め記憶
している再燃焼終了判定のための設定電圧E₀とを比較す
る（同ステップS13）。

ここで、上記の設定電圧E₀について説明すると、再燃
焼終了の判定は、本来ならばトラップ１の出口部及びバ
イパス管８からの排気ガス中のO₂濃度が同一になったと
き、即ち、O₂濃淡電池２の出力Ｅがゼロとなったときに
行うべきである。しかし、再燃焼工程が終わりに近づく
と燃焼が緩やかになるので、O₂濃淡電池２の出力電圧Ｅ
がゼロに近づいて行く速度が遅くなり、殆ど再燃焼は終
了しているが出力電圧Ｅはゼロでないという状態が続い
てしまい、Ｅ＝０である再燃焼終了の判定は、長時間待
たないと下すことができない。

しかし、この間もバイパス弁９は開いているので、排
気ガスの大部分をバイパス弁９を通しバイパス管８から
大気中に放出し続けることになる。

そこで、再燃焼終了判定値としてE₀を設定する。この
E₀は、トラップ１の出口部及びバイパス管８からの各排
気ガス中のO₂濃度の差がE₀に対応するだけ存在しても、
その時点で再燃焼を終了させることが実用上問題ないと
して設定した値であり、E₀≒０で且つE₀＞０となる値で
ある。

このようにしてステップS13で検出したO₂濃淡電池２
の出力Ｅと判定値E₀とを比較（同ステップS13）し、Ｅ
≧E₀のときは、ステップS7〜S13を繰り返すが、Ｅ＜E₀
になると、コントローラ14は、再燃焼終了と判定する。

そして、ステップS3で電気ヒーター４をオンとしてか
ら所定時間T₁経過したか否かを再度チェックし（同ステ
ップS14）、経過していない時のみ電気ヒーター４をオ
フとする（同ステップS15）。これらのステップS14、S1
5を実行する理由は、パティキュレート捕集量がたまた
ま少なく、再燃焼が上記の所定時間T₁より短い時間で終
了することがあり、この再燃焼終了時以降の通電は不必
要となるからである。

そして、最後に、第１図に示す如く、入口弁７を開く
とともにバイパス弁９を閉じる（同ステップS16）。

この後は、再びトラップ１によるパティキュレート捕
集状態に戻る。

尚、上記の実施例においては、O₂濃淡電池２をトラッ
プ１の出口部とバイパス管８との間に設置しているが、
バイパス管８側は、トラップ１からの排気ガスとバイパ
ス管８からの排気ガスが合流する点より上流ならばどこ
に接続しても構わない。

また、トラップ１の前後差圧の検出値P₁を設定値P₀に
合わせるための制御を上記のようにPID動作制御によっ
て行ったが、他の周知の制御方法を用いても同様に行う
ことができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係るパティキュレートトラッ
プの再燃焼装置では、トラップの出口部及びバイパス管
からの各排気ガス中のO₂濃度の差を１個のO₂濃淡電池に
よって検出し、このO₂濃度差に基づいて再燃焼終了を制
御するように構成したので下記の効果が得られる。

ｉ）精度のよい再燃焼終了制御を行える。

ii）O₂濃淡電池１個でO₂濃度差を検出するので、構成が
単純なため故障しても、その発見・修理を簡単に行うこ
とができる。

iii）低コストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るパティキュレートトラップの再
燃焼装置の一実施例を示すハードウェア構成図、 第２図は、本発明において第１図に示したコントローラ
で実行されるプログラムのフローチャート図、 第３図は、本出願人に係る特願昭61−280309号の装置の
ハードウェア構成図、 第４図は、O₂センサ（A/Fセンサ）の構成を示す概略
図、である。 第１図において、１はトラップ、２はO₂濃淡電池、８は
バイパス管、14はコントローラ、をそれぞれ示す。 尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パティキュレートトラップの出口部及び該
   トラップのバイパス管からの各排気ガスに接するように
   配置されてそのO₂濃度差を検出するO₂濃淡電池と、該O₂
   濃度差が終了判定値より小さくなったときに再燃焼を終
   了させる制御手段と、を備えたことを特徴とするパティ
   キュレートトラップの再燃焼装置。