JP4186425B2 - 煤粒子検出センサ及びそれを使用したディーゼルパティキュレートフィルタ装置とその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる煤粒子の量を計測するための煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法に関する。
【０００２】
また、ディーゼルエンジンの粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）及びその制御方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート：以下ＰＭ）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、この規制の強化に対して、エンジンの改良だけでは対応が困難になってきている。そのため、このＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００４】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化装置は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジンの排気管の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００５】
しかし、このＰＭ捕集用のＤＰＦ装置では、フィルタによってＰＭを捕集しているが、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量の増加に伴って排気ガス圧力（排圧）が上昇するので、このフィルタからＰＭを除去する必要がある。
【０００６】
このＰＭの除去には、フィルタを電気ヒータやバーナーで加熱したり、逆洗したりして、捕集したＰＭを燃焼除去して、フィルタからＰＭを除去して再生している。また、触媒を使用して連続的にＰＭの捕集と再生を行う連続再生型ＤＰＦと呼ばれる図５に例示するようなシステム１Ａもあるが、排気温度が低いエンジンの運転条件では、ＰＭを酸化除去することができず、エンジン運転条件を変更して強制的に排気ガス温度を上昇させてＰＭを酸化除去する必要がある。
【０００７】
そして、現在実用化及び提案されているＤＰＦシステムにおいては、フィルタに捕集されたＰＭ量が再生を必要とする量になったことの検出は、制御を簡素化したシステムでは、運転時間の積算時間値でフィルタの再生開始を指示するシステムもあるが、主として、フィルタの出入口のフィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧をＤＰＦ差圧センサにより検出し、電子制御でこの差圧の値を所定の判定値（限界フィルタ差圧）と比較することによって行われている。
【０００８】
また、このフィルタ出入口の差圧変化で、フィルタの破損を検出することも行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタのＰＭ捕集量をフィルタの圧力損失を利用してフィルタの再生開始時期を判定する再生制御方法では、エンジンの運転条件が変わると、基準となるフィルタ圧力損失が大きく変化し、再生開始の判定値も変化するという問題がある。
【００１０】
そのため、各エンジンの運転条件毎に再生開始の判定値を設定し、そのデータをマップデータ等にして電子制御装置に予め記憶させておき、再生開始の判定時に、そのエンジンの運転条件に対応した判定値を抽出する必要がある。
【００１１】
また、ＰＭ捕集量とフィルタの圧力損失とは直線関係に無く、特に低捕集量域ではＰＭ捕集量に対する感度が低くなっている。そのため、再生時の暴走燃焼によるシステム破損に対する安全性を確保するために、短いインターバルで再生を煩雑に行う必要が生じ、再生エネルギーの増加による燃費の悪化が生じるという問題が生じる。
【００１２】
また、フィルタの破損時の検出感度はフィルタの圧力損失が低い領域で特に低くなるため、フィルタの破損の検出が困難となるという問題や、フィルタの捕集効率の低下等によるＰＭの排出量の増加やブローオフ等を検出できないという問題もある。
【００１３】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置におけるＰＭの堆積状態の監視に使用可能な、ガス中の煤粒子量を測定できる煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の更なる目的は、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、ＰＭの堆積状態の監視を、フィルタ出入口の排気圧力の差圧を使用せずに、精度良く堆積したＰＭ量を推定して、フィルタの再生開始時期を的確に判定することにより、フィルタの目詰まりを確実に防止しながら再生頻度を減少させて効率よくＰＭを除去でき、燃費を向上できるディーゼルパティキュレートフィルタ装置及びその制御方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための煤粒子検出センサは、ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えて構成する。
【００１６】
そして、上記の煤粒子検出センサにおいて、前記第１メタルハニカムに対して１００Ｖ〜２００Ｖ、好ましくは１５０Ｖの負（マイナス）の高電圧を、前記第２メタルハニカムに対して１００Ｖ〜２００Ｖ、好ましくは１５０Ｖの正（プラス）の高電圧を加えて構成する。
【００１７】
この１００Ｖ〜２００Ｖの範囲の電圧を使用すると、充分な電流出力を得られると共に、装置的にも小型となり、消費電力も少なくて済む。
【００１８】
そして、上記の煤粒子検出センサを使用したガス中の煤粒子検出方法は、ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えた煤粒子検出センサにおいて、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、この時に上記電流計で検出された電流値から煤粒子量を算定する方法である。
【００１９】
これらの煤粒子検出センサによれば、粒子状物質（ＰＭ）の成分である煤粒子の量を、図４に示す、次のような測定原理で測定できる。
【００２０】
煤粒子８０を含んだガスＧが、この煤粒子検出センサ７０を通過すると、ガスＧ中の煤粒子８０は導電率が高いので、マイナスに帯電した上流側の第１メタルハニカム７２に入り、壁面７２ｗに接触すると電子を帯電し、マイナスイオン化する。このマイナスに帯電した煤粒子８０ｍは、下流側の第２メタルハニカム７３に入り、壁面７３ｗに接触して電子を放出し、電気的に中性の煤粒子８０に戻る。
【００２１】
この煤粒子８０，８０ｍによって第１メタルハニカム７２から第２メタルハニカム７３に移動する電子により、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間に電流Ｉｐが流れ、しかも、この電流値Ｉｐは、通過する煤粒子８０の量に比例した値となるので、この電流値Ｉｐを検出することにより、瞬時にガスＧ中の煤粒子８０の量を検出できる。
【００２２】
このガス中の煤粒子として、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を構成する煤粒子（ＳＯＯＴ）も対象にすることができる。この煤粒子は、炭素を主成分とするエンジンの排出物であり、粒子状物質（ＰＭ）の中でも特に燃焼が難しいと言われる物質である。
【００２３】
そして、上記の煤粒子検出センサを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）は、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕集すると共に、捕集した粒子状物質を酸化除去して再生するフィルタを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、上記の煤粒子検出センサを、前記フィルタの上流側と下流側にそれぞれ配設すると共に、該煤粒子検出センサの検出値を使用して前記フィルタの再生処理を制御する再生制御手段を備えて構成される。
【００２４】
このディーゼルパティキュレートフィルタ装置は、２系統の排気通路を設け、それぞれに設けたフィルタで、一方のフィルタがＰＭ捕集している時に、他方のフィルタでは捕集したＰＭを酸化除去することを交互に繰り返すＤＰＦ装置や、酸化触媒をフィルタの上流側に設け、酸化触媒で発生する二酸化窒素によって捕集したＰＭを酸化除去する連続再生型のＤＰＦ装置や触媒付フィルタを備えた連続再生型のＤＰＦ装置等を含むものであり、フィルタでＰＭを捕集し、捕集したＰＭを除去してフィルタを再生する装置であれば、全部含まれる。
【００２５】
また、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置における制御方法は、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差が、所定の判定値よりも小さくなった場合に再生開始時期であると判定するように構成される。
【００２６】
また、更に、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差を、前記上流側煤粒子通過量で除した値として算出される浄化効率が、所定の判定値よりも小さくなった場合にフィルタ異常であると判定し、フィルタ異常処理を行うように構成される。
【００２７】
上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置とその制御方法によれば、フィルタ前後の煤粒子通過量を直接計測し、その差からフィルタで捕集されている粒子状物質量（ＰＭ量）を算定して、再生開始時期を判定できるので、正確に判定できる。これにより、フィルタの再生頻度を必要最小限に抑えられるので、燃費の悪化が防止される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔煤粒子検出センサと煤粒子検出方法〕
最初に、本発明に係る実施の形態の煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法について、図１を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施の形態の煤粒子検出センサ７０においては、煤粒子８０を含むガスＧの通路となるガス通路管７１内に、負の電極を兼ねる第１メタルハニカム７２と、正の電極を兼ねる第２メタルハニカム７３が離間して設置される。
【００３０】
そして、更に、直流電圧源７４と電流計７５を設けて、ガスＧの流れに関して上流側の第１メタルハニカム７２に対しては１５０Ｖ程度の負電圧を、また、下流側の第２メタルハニカム７３に対しては１５０Ｖ程度の正電圧を加えると共に、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間を流れる微弱電流Ｉｐを検出する電気回路（図１）を構成する。
【００３１】
また、この電気回路には、必要に応じて、回路の形成と開放を行うスイッチ７６と、メタルハニカム７２、７３への印加電圧を調整するための可変抵抗７７を設ける。
【００３２】
そして、この煤粒子検出センサ７０においては、煤粒子８０を含むガスＧが通過すると、ガスＧ中の煤粒子８０は導電率が非常に高いので、上流側の高負電圧の第１メタルハニカム７２に入り、壁面７２ｗに接触して電子ｅ- を帯電し、マイナスイオン化する。この電子ｅ- を帯電した煤粒子８０ｍは、下流側の高正電圧の第２メタルハニカム７３に入り、壁面７３ｗに接触して電子ｅ- を放出し、電気的に中性の煤粒子８０に戻る。
【００３３】
この電子ｅ- の移動により、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間に電流Ｉｐが流れるので、この電流値Ｉｐの検出により、ガスＧ中の煤粒子８０の量ＰＭｉを算出する。
【００３４】
この煤粒子８０の量ＰＭｉの算出は、予め実験等により、この電流値Ｉｐとガス量や煤粒子８０の量等の関係を求めておき、このデータを参照して、電流値ＩｐからガスＧ中の煤粒子８０の量ＰＭｉを算出することにになる。
【００３５】
ちなみに、導電率は、空気では殆どゼロで、また、粒子状物質の成分である可溶性有機成分（ＳＯＦ）では１０-16 より小さいのに対して、煤粒子（ＳＯＯＴ）は３０Ｓ／ｍ程度と非常に高くなっている。従って、この煤粒子検出センサでは、導電率の低い可溶性有機成分（ＳＯＦ）はカウントせず、煤粒子をカウントすることになる。
【００３６】
なお、この可溶性有機成分（ＳＯＦ）は、粒子状物質に含まれる各種成分の内、ベンゼン、トルエン等の有機溶剤に溶ける成分であり、燃料やオイルの燃え残りで、高温では蒸気状態になっていて、酸化触媒表面で充分に燃焼させることができるものである。
【００３７】
しかし、この煤粒子検出センサ７０を使用するディーゼルパティキュレートフィルタ装置の場合には、フィルタで捕集量や捕集効率が問題となる粒子状物質の成分は、排気ガス温度が低くても酸化燃焼してしまう可溶性有機成分ではなく、高温でないと燃焼しない煤粒子８０である。従って、この煤粒子検出センサ７０はディーゼルパティキュレートフィルタ装置の使用に適していると言える。
【００３８】
〔ＤＰＦ装置〕
次に、本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）について、図２を参照しながら説明する。
【００３９】
図２に示すＤＰＦ装置１は、連続再生型ＤＰＦ装置であり、触媒付フィルタ３を備え、エンジンＥの排気通路２に設けらる。
【００４０】
この触媒付フィルタ３は、図３に示すように。多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に千鳥状に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタで形成され、この多孔質壁面３０に白金（Ｐｔ）、γアルミナ、ゼオライト等の触媒３２を担持した多孔質触媒コート層３１を塗布して形成される。そして、排気ガスＧ中の粒子状物質（以下ＰＭとする）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）する。
【００４１】
また、図２に示すように、触媒付フィルタ３の再生制御用に、触媒付フィルタ３の排気入口側に上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）７０ＡとＤＰＦ入口排気ガス温度センサ５１が、また、触媒付フィルタ３の排気出口側に下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）７０Ｂが設けられる。
【００４２】
これらのセンサ７０Ａ，７０Ｂ，５１の出力値は、エンジン運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付フィルタ３の再生制御を行うＤＰＦ制御手段４０を備えたエンジンの制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）５０に入力され、この制御装置５０から出力される制御信号により、触媒付フィルタ３の再生処理に必要な制御が行われる。この制御装置５０は電子制御ボックス５に配設される。
【００４３】
〔ＤＰＦ装置の制御方法〕
次に以上の構成のＤＰＦ装置１の制御方法について説明する。
【００４４】
この制御方法は、ＤＰＦ制御手段４０により、図４に例示するようなフローに従って行われる。
【００４５】
例示した図４のフローは説明し易いように、エンジンＥの制御フローと並行して、繰り返し呼ばれて実施される再生制御フローとして示している。つまり、エンジンＥの運転制御中は並行してこのフローが一定時間毎に繰り返し呼ばれて実行され、エンジンＥの制御が終了するとこのフローも呼ばれなくなり実質的に触媒付フィルタ３の再生制御も終了するものとして構成している。
【００４６】
図４に例示する再生制御フローでは、最初に、ステップＳ１１で、上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）７０Ａで計測した電流値Ｉｐａより、通過した粒子状物質量ＰＭａを算出し、次のステップＳ１２で、下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）７０Ｂで計測した電流値Ｉｐｂより、通過した粒子状物質量（ＰＭ量）ＰＭｂを算出する。
【００４７】
ステップＳ１３では、上流側煤粒子検出センサ７０Ａを通過した粒子状物質量ＰＭａと、下流側煤粒子検出センサ７０Ｂを通過した粒子状物質量ＰＭｂとから、触媒付フィルタ３で捕集された粒子状物質量ＰＭｔ（＝ＰＭａ−ＰＭｂ）と、捕集効率Ｅｔ（＝ＰＭｔ／ＰＭａ）を算出する。
【００４８】
そして、ステップＳ１４で再生開始の判定を行う。この判定は、触媒付フィルタ３で捕集された粒子状物質量ＰＭｔのチェックで行い、この捕集された粒子状物質量ＰＭｔが所定の判定値ＰＭ０より小さくなった場合に、触媒付フィルタ３は再生処理が必要であり、再生開始時期であると判定して、ステップＳ２０で再生モード運転に入り、再生処理制御を行ってリターンする。
【００４９】
また、ステップＳ１４の再生開始の判定で、捕集された粒子状物質量ＰＭｔが所定の判定値ＰＭ０より大きい場合には、捕集される量が多く、触媒付フィルタ３の再生は不要であるとして、次のステップＳ１５で触媒付フィルタ３の破損チェックを行う。
【００５０】
このステップＳ１５の判定は、捕集効率Ｅｔのチェックで行い、この捕集効率Ｅｔが所定の判定値Ｅ０より小さくなった場合に、触媒付フィルタ３は異常状態にあり、破損していると判断し、ステップＳ４０に行き、フィルタ破損処理を行う。
【００５１】
このフィルタ破損処理では、警報を発生して運転者にＤＰＦ破損異常を報知したり、走行可能な距離や時間を通知したり、徐行を勧告したりする。そして、このフィルタ破損処理を行った場合には、この制御ルーチンをストップさせる。
【００５２】
また、ステップＳ１５の判定で捕集効率Ｅｔが所定の判定値Ｅ０より大きい場合は、触媒付フィルタ３は正常状態にあり、粒子状物（ＰＭ）の捕集を継続できるとして、ステップＳ３０の捕集モード運転に行き、再生判定のインターバルに近い所定の時間の間、捕集モードで運転されてからリターンする。
【００５３】
そして、この図４の制御フローは、リターンした後、メインのエンジン等の制御装置から呼ばれてスタートからリターンまで繰り返し、エンジン停止または、フィルタ破損処理後のストップで停止するまで繰り返し実行される。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法によれば、ガス中の煤粒子の量を微弱電流として検出することができる。
【００５５】
また、本発明の煤粒子検出センサ（ＰＭセンサ）を使用したディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）及びその制御方法によれば、フィルタを通過する際に捕集される煤粒子量を検出できるので、フィルタの粒子状物質（ＰＭ）捕集能力の低下を正確に検知できる。また、精度良くフィルタの破損等の異常を検知できる。
【００５６】
従って、正確な粒子状物質捕集量（ＰＭ捕集量）に基づいて再生開始の判定ができるので、再生処理を最適なタイミングで行うことができる。そのため、再生頻度が減少し効率良く再生処理できるので、燃費を向上できる。また、過大な粒子状物質捕集後の再生処理によって発生する、堆積していた粒子状物質の連鎖的な急激燃焼による温度急上昇を回避することができ、触媒付フィルタの溶損等を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＭ累積推定値を推定計算するフロー図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の構成図である。
【図３】図２の触媒付フィルタの構成図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の制御方法を示すフロー図である。
【図５】従来技術のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の構成図である。
【符号の説明】
Ｅ エンジン
１ 連続再生型パティキュレートフィルタ装置
２ 排気通路
３ 触媒付フィルタ
４０ ＤＰＦ制御手段
５０ 制御装置（ＥＣＵ）
７０ 煤粒子検出センサ（ＰＭセンサ）
７０Ａ 上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）
７０Ｂ 下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）
７１ ガス通路管
７２ 第１メタルハニカム（負の電極）
７３ 第２メタルハニカム（正の電極）
７４ 直流電圧源
７５ 電流計
８０ 煤粒子
８０ｍ 電子ｅ- を帯電した煤粒子
Ｇ ガス，排気ガス
Ｉｐ 微弱電流、電流値
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる煤粒子の量を計測するための煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法に関する。
【０００２】
また、ディーゼルエンジンの粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）及びその制御方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート：以下ＰＭ）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、この規制の強化に対して、エンジンの改良だけでは対応が困難になってきている。そのため、このＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００４】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化装置は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジンの排気管の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００５】
しかし、このＰＭ捕集用のＤＰＦ装置では、フィルタによってＰＭを捕集しているが、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量の増加に伴って排気ガス圧力（排圧）が上昇するので、このフィルタからＰＭを除去する必要がある。
【０００６】
このＰＭの除去には、フィルタを電気ヒータやバーナーで加熱したり、逆洗したりして、捕集したＰＭを燃焼除去して、フィルタからＰＭを除去して再生している。また、触媒を使用して連続的にＰＭの捕集と再生を行う連続再生型ＤＰＦと呼ばれる図５に例示するようなシステム１Ａもあるが、排気温度が低いエンジンの運転条件では、ＰＭを酸化除去することができず、エンジン運転条件を変更して強制的に排気ガス温度を上昇させてＰＭを酸化除去する必要がある。
【０００７】
そして、現在実用化及び提案されているＤＰＦシステムにおいては、フィルタに捕集されたＰＭ量が再生を必要とする量になったことの検出は、制御を簡素化したシステムでは、運転時間の積算時間値でフィルタの再生開始を指示するシステムもあるが、主として、フィルタの出入口のフィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧をＤＰＦ差圧センサにより検出し、電子制御でこの差圧の値を所定の判定値（限界フィルタ差圧）と比較することによって行われている。
【０００８】
また、このフィルタ出入口の差圧変化で、フィルタの破損を検出することも行われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このフィルタのＰＭ捕集量をフィルタの圧力損失を利用してフィルタの再生開始時期を判定する再生制御方法では、エンジンの運転条件が変わると、基準となるフィルタ圧力損失が大きく変化し、再生開始の判定値も変化するという問題がある。
【００１０】
そのため、各エンジンの運転条件毎に再生開始の判定値を設定し、そのデータをマップデータ等にして電子制御装置に予め記憶させておき、再生開始の判定時に、そのエンジンの運転条件に対応した判定値を抽出する必要がある。
【００１１】
また、ＰＭ捕集量とフィルタの圧力損失とは直線関係に無く、特に低捕集量域ではＰＭ捕集量に対する感度が低くなっている。そのため、再生時の暴走燃焼によるシステム破損に対する安全性を確保するために、短いインターバルで再生を煩雑に行う必要が生じ、再生エネルギーの増加による燃費の悪化が生じるという問題が生じる。
【００１２】
また、フィルタの破損時の検出感度はフィルタの圧力損失が低い領域で特に低くなるため、フィルタの破損の検出が困難となるという問題や、フィルタの捕集効率の低下等によるＰＭの排出量の増加やブローオフ等を検出できないという問題もある。
【００１３】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置におけるＰＭの堆積状態の監視に使用可能な、ガス中の煤粒子量を測定できる煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の更なる目的は、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、ＰＭの堆積状態の監視を、フィルタ出入口の排気圧力の差圧を使用せずに、精度良く堆積したＰＭ量を推定して、フィルタの再生開始時期を的確に判定することにより、フィルタの目詰まりを確実に防止しながら再生頻度を減少させて効率よくＰＭを除去でき、燃費を向上できるディーゼルパティキュレートフィルタ装置及びその制御方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための煤粒子検出センサは、ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えて構成する。
【００１６】
そして、上記の煤粒子検出センサにおいて、前記第１メタルハニカムに対して１００Ｖ〜２００Ｖ、好ましくは１５０Ｖの負（マイナス）の高電圧を、前記第２メタルハニカムに対して１００Ｖ〜２００Ｖ、好ましくは１５０Ｖの正（プラス）の高電圧を加えて構成する。
【００１７】
この１００Ｖ〜２００Ｖの範囲の電圧を使用すると、充分な電流出力を得られると共に、装置的にも小型となり、消費電力も少なくて済む。
【００１８】
そして、上記の煤粒子検出センサを使用したガス中の煤粒子検出方法は、ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えた煤粒子検出センサにおいて、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、この時に上記電流計で検出された電流値から煤粒子量を算定する方法である。
【００１９】
これらの煤粒子検出センサによれば、粒子状物質（ＰＭ）の成分である煤粒子の量を、図４に示す、次のような測定原理で測定できる。
【００２０】
煤粒子８０を含んだガスＧが、この煤粒子検出センサ７０を通過すると、ガスＧ中の煤粒子８０は導電率が高いので、マイナスに帯電した上流側の第１メタルハニカム７２に入り、壁面７２ｗに接触すると電子を帯電し、マイナスイオン化する。このマイナスに帯電した煤粒子８０ｍは、下流側の第２メタルハニカム７３に入り、壁面７３ｗに接触して電子を放出し、電気的に中性の煤粒子８０に戻る。
【００２１】
この煤粒子８０，８０ｍによって第１メタルハニカム７２から第２メタルハニカム７３に移動する電子により、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間に電流Ｉｐが流れ、しかも、この電流値Ｉｐは、通過する煤粒子８０の量に比例した値となるので、この電流値Ｉｐを検出することにより、瞬時にガスＧ中の煤粒子８０の量を検出できる。
【００２２】
このガス中の煤粒子として、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を構成する煤粒子（ＳＯＯＴ）も対象にすることができる。この煤粒子は、炭素を主成分とするエンジンの排出物であり、粒子状物質（ＰＭ）の中でも特に燃焼が難しいと言われる物質である。
【００２３】
そして、上記の煤粒子検出センサを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）は、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕集すると共に、捕集した粒子状物質を酸化除去して再生するフィルタを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、上記の煤粒子検出センサを、前記フィルタの上流側と下流側にそれぞれ配設すると共に、該煤粒子検出センサの検出値を使用して前記フィルタの再生処理を制御する再生制御手段を備えて構成される。
【００２４】
このディーゼルパティキュレートフィルタ装置は、２系統の排気通路を設け、それぞれに設けたフィルタで、一方のフィルタがＰＭ捕集している時に、他方のフィルタでは捕集したＰＭを酸化除去することを交互に繰り返すＤＰＦ装置や、酸化触媒をフィルタの上流側に設け、酸化触媒で発生する二酸化窒素によって捕集したＰＭを酸化除去する連続再生型のＤＰＦ装置や触媒付フィルタを備えた連続再生型のＤＰＦ装置等を含むものであり、フィルタでＰＭを捕集し、捕集したＰＭを除去してフィルタを再生する装置であれば、全部含まれる。
【００２５】
また、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置における制御方法は、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差が、所定の判定値よりも小さくなった場合に再生開始時期であると判定するように構成される。
【００２６】
また、更に、上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差を、前記上流側煤粒子通過量で除した値として算出される浄化効率が、所定の判定値よりも小さくなった場合にフィルタ異常であると判定し、フィルタ異常処理を行うように構成される。
【００２７】
上記のディーゼルパティキュレートフィルタ装置とその制御方法によれば、フィルタ前後の煤粒子通過量を直接計測し、その差からフィルタで捕集されている粒子状物質量（ＰＭ量）を算定して、再生開始時期を判定できるので、正確に判定できる。これにより、フィルタの再生頻度を必要最小限に抑えられるので、燃費の悪化が防止される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〔煤粒子検出センサと煤粒子検出方法〕
最初に、本発明に係る実施の形態の煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法について、図１を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施の形態の煤粒子検出センサ７０においては、煤粒子８０を含むガスＧの通路となるガス通路管７１内に、負の電極を兼ねる第１メタルハニカム７２と、正の電極を兼ねる第２メタルハニカム７３が離間して設置される。
【００３０】
そして、更に、直流電圧源７４と電流計７５を設けて、ガスＧの流れに関して上流側の第１メタルハニカム７２に対しては１５０Ｖ程度の負電圧を、また、下流側の第２メタルハニカム７３に対しては１５０Ｖ程度の正電圧を加えると共に、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間を流れる微弱電流Ｉｐを検出する電気回路（図１）を構成する。
【００３１】
また、この電気回路には、必要に応じて、回路の形成と開放を行うスイッチ７６と、メタルハニカム７２、７３への印加電圧を調整するための可変抵抗７７を設ける。
【００３２】
そして、この煤粒子検出センサ７０においては、煤粒子８０を含むガスＧが通過すると、ガスＧ中の煤粒子８０は導電率が非常に高いので、上流側の高負電圧の第１メタルハニカム７２に入り、壁面７２ｗに接触して電子ｅ- を帯電し、マイナスイオン化する。この電子ｅ- を帯電した煤粒子８０ｍは、下流側の高正電圧の第２メタルハニカム７３に入り、壁面７３ｗに接触して電子ｅ- を放出し、電気的に中性の煤粒子８０に戻る。
【００３３】
この電子ｅ- の移動により、第１メタルハニカム７２と第２メタルハニカム７３との間に電流Ｉｐが流れるので、この電流値Ｉｐの検出により、ガスＧ中の煤粒子８０の量ＰＭｉを算出する。
【００３４】
この煤粒子８０の量ＰＭｉの算出は、予め実験等により、この電流値Ｉｐとガス量や煤粒子８０の量等の関係を求めておき、このデータを参照して、電流値ＩｐからガスＧ中の煤粒子８０の量ＰＭｉを算出することにになる。
【００３５】
ちなみに、導電率は、空気では殆どゼロで、また、粒子状物質の成分である可溶性有機成分（ＳＯＦ）では１０-16 より小さいのに対して、煤粒子（ＳＯＯＴ）は３０Ｓ／ｍ程度と非常に高くなっている。従って、この煤粒子検出センサでは、導電率の低い可溶性有機成分（ＳＯＦ）はカウントせず、煤粒子をカウントすることになる。
【００３６】
なお、この可溶性有機成分（ＳＯＦ）は、粒子状物質に含まれる各種成分の内、ベンゼン、トルエン等の有機溶剤に溶ける成分であり、燃料やオイルの燃え残りで、高温では蒸気状態になっていて、酸化触媒表面で充分に燃焼させることができるものである。
【００３７】
しかし、この煤粒子検出センサ７０を使用するディーゼルパティキュレートフィルタ装置の場合には、フィルタで捕集量や捕集効率が問題となる粒子状物質の成分は、排気ガス温度が低くても酸化燃焼してしまう可溶性有機成分ではなく、高温でないと燃焼しない煤粒子８０である。従って、この煤粒子検出センサ７０はディーゼルパティキュレートフィルタ装置の使用に適していると言える。
【００３８】
〔ＤＰＦ装置〕
次に、本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）について、図２を参照しながら説明する。
【００３９】
図２に示すＤＰＦ装置１は、連続再生型ＤＰＦ装置であり、触媒付フィルタ３を備え、エンジンＥの排気通路２に設けらる。
【００４０】
この触媒付フィルタ３は、図３に示すように。多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に千鳥状に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタで形成され、この多孔質壁面３０に白金（Ｐｔ）、γアルミナ、ゼオライト等の触媒３２を担持した多孔質触媒コート層３１を塗布して形成される。そして、排気ガスＧ中の粒子状物質（以下ＰＭとする）は多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）する。
【００４１】
また、図２に示すように、触媒付フィルタ３の再生制御用に、触媒付フィルタ３の排気入口側に上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）７０ＡとＤＰＦ入口排気ガス温度センサ５１が、また、触媒付フィルタ３の排気出口側に下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）７０Ｂが設けられる。
【００４２】
これらのセンサ７０Ａ，７０Ｂ，５１の出力値は、エンジン運転の全般的な制御を行うと共に、触媒付フィルタ３の再生制御を行うＤＰＦ制御手段４０を備えたエンジンの制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）５０に入力され、この制御装置５０から出力される制御信号により、触媒付フィルタ３の再生処理に必要な制御が行われる。この制御装置５０は電子制御ボックス５に配設される。
【００４３】
〔ＤＰＦ装置の制御方法〕
次に以上の構成のＤＰＦ装置１の制御方法について説明する。
【００４４】
この制御方法は、ＤＰＦ制御手段４０により、図４に例示するようなフローに従って行われる。
【００４５】
例示した図４のフローは説明し易いように、エンジンＥの制御フローと並行して、繰り返し呼ばれて実施される再生制御フローとして示している。つまり、エンジンＥの運転制御中は並行してこのフローが一定時間毎に繰り返し呼ばれて実行され、エンジンＥの制御が終了するとこのフローも呼ばれなくなり実質的に触媒付フィルタ３の再生制御も終了するものとして構成している。
【００４６】
図４に例示する再生制御フローでは、最初に、ステップＳ１１で、上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）７０Ａで計測した電流値Ｉｐａより、通過した粒子状物質量ＰＭａを算出し、次のステップＳ１２で、下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）７０Ｂで計測した電流値Ｉｐｂより、通過した粒子状物質量（ＰＭ量）ＰＭｂを算出する。
【００４７】
ステップＳ１３では、上流側煤粒子検出センサ７０Ａを通過した粒子状物質量ＰＭａと、下流側煤粒子検出センサ７０Ｂを通過した粒子状物質量ＰＭｂとから、触媒付フィルタ３で捕集された粒子状物質量ＰＭｔ（＝ＰＭａ−ＰＭｂ）と、捕集効率Ｅｔ（＝ＰＭｔ／ＰＭａ）を算出する。
【００４８】
そして、ステップＳ１４で再生開始の判定を行う。この判定は、触媒付フィルタ３で捕集された粒子状物質量ＰＭｔのチェックで行い、この捕集された粒子状物質量ＰＭｔが所定の判定値ＰＭ０より小さくなった場合に、触媒付フィルタ３は再生処理が必要であり、再生開始時期であると判定して、ステップＳ２０で再生モード運転に入り、再生処理制御を行ってリターンする。
【００４９】
また、ステップＳ１４の再生開始の判定で、捕集された粒子状物質量ＰＭｔが所定の判定値ＰＭ０より大きい場合には、捕集される量が多く、触媒付フィルタ３の再生は不要であるとして、次のステップＳ１５で触媒付フィルタ３の破損チェックを行う。
【００５０】
このステップＳ１５の判定は、捕集効率Ｅｔのチェックで行い、この捕集効率Ｅｔが所定の判定値Ｅ０より小さくなった場合に、触媒付フィルタ３は異常状態にあり、破損していると判断し、ステップＳ４０に行き、フィルタ破損処理を行う。
【００５１】
このフィルタ破損処理では、警報を発生して運転者にＤＰＦ破損異常を報知したり、走行可能な距離や時間を通知したり、徐行を勧告したりする。そして、このフィルタ破損処理を行った場合には、この制御ルーチンをストップさせる。
【００５２】
また、ステップＳ１５の判定で捕集効率Ｅｔが所定の判定値Ｅ０より大きい場合は、触媒付フィルタ３は正常状態にあり、粒子状物（ＰＭ）の捕集を継続できるとして、ステップＳ３０の捕集モード運転に行き、再生判定のインターバルに近い所定の時間の間、捕集モードで運転されてからリターンする。
【００５３】
そして、この図４の制御フローは、リターンした後、メインのエンジン等の制御装置から呼ばれてスタートからリターンまで繰り返し、エンジン停止または、フィルタ破損処理後のストップで停止するまで繰り返し実行される。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法によれば、ガス中の煤粒子の量を微弱電流として検出することができる。
【００５５】
また、本発明の煤粒子検出センサ（ＰＭセンサ）を使用したディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）及びその制御方法によれば、フィルタを通過する際に捕集される煤粒子量を検出できるので、フィルタの粒子状物質（ＰＭ）捕集能力の低下を正確に検知できる。また、精度良くフィルタの破損等の異常を検知できる。
【００５６】
従って、正確な粒子状物質捕集量（ＰＭ捕集量）に基づいて再生開始の判定ができるので、再生処理を最適なタイミングで行うことができる。そのため、再生頻度が減少し効率良く再生処理できるので、燃費を向上できる。また、過大な粒子状物質捕集後の再生処理によって発生する、堆積していた粒子状物質の連鎖的な急激燃焼による温度急上昇を回避することができ、触媒付フィルタの溶損等を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＭ累積推定値を推定計算するフロー図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の構成図である。
【図３】図２の触媒付フィルタの構成図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の制御方法を示すフロー図である。
【図５】従来技術のディーゼルパティキュレートフィルタ装置の構成図である。
【符号の説明】
Ｅ エンジン
１ 連続再生型パティキュレートフィルタ装置
２ 排気通路
３ 触媒付フィルタ
４０ ＤＰＦ制御手段
５０ 制御装置（ＥＣＵ）
７０ 煤粒子検出センサ（ＰＭセンサ）
７０Ａ 上流側煤粒子検出センサ（上流側ＰＭセンサ）
７０Ｂ 下流側煤粒子検出センサ（下流側ＰＭセンサ）
７１ ガス通路管
７２ 第１メタルハニカム（負の電極）
７３ 第２メタルハニカム（正の電極）
７４ 直流電圧源
７５ 電流計
８０ 煤粒子
８０ｍ 電子ｅ- を帯電した煤粒子
Ｇ ガス，排気ガス
Ｉｐ 微弱電流、電流値
Claims (5)
- ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えたことを特徴とする煤粒子検出センサ。
- ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、前記第１メタルハニカムに負の電圧を、前記第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムとの間に流れる電流を検出する電流計を備えた煤粒子検出センサにおいて、前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムの断面積を前記ガス通路管の断面積とし、煤粒子を含むガスを前記第１メタルハニカムと前記第２メタルハニカムを順次通過させ、煤粒子が前記第１メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子を帯電させ、帯電した煤粒子が前記第２メタルハニカムを通過する際に壁面に接触することで、煤粒子から電子を放出させて、これにより電流を発生し、この時に上記電流計で検出された電流値から煤粒子量を算定することを特徴とするガス中の煤粒子検出方法。
- ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕集すると共に、捕集した粒子状物質を酸化除去して再生するフィルタを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、請求項１又は２に記載の煤粒子検出センサを、前記フィルタの上流側と下流側にそれぞれ配設すると共に、該煤粒子検出センサの検出値を使用して前記フィルタの再生処理を制御する再生制御手段を備えたことを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ装置。
- 請求項３記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差が、所定の判定値よりも小さくなった場合に再生開始時期であると判定することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ装置の制御方法。
- 請求項３記載のディーゼルパティキュレートフィルタ装置において、前記再生制御手段が、上流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される上流側煤粒子通過量と、下流側の前記煤粒子検出センサの検出値から算定される下流側煤粒子通過量との差を、前記上流側煤粒子通過量で除した値として算出される浄化効率が、所定の判定値よりも小さくなった場合にフィルタ異常であると判定し、フィルタ異常処理を行うことを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ装置の制御方法。
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