JP4385850B2

JP4385850B2 - 捕集量検出方法及び捕集量検出装置

Info

Publication number: JP4385850B2
Application number: JP2004144979A
Authority: JP
Inventors: 我部　　正志; 大治長岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: JP2005325771A

Description

本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタ等の捕集容器に捕集した粒子状物質の捕集量を検出する捕集量検出方法及び捕集量検出装置等に関する。

ディーゼル内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）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。

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ォ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システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、内燃機関の排気通路の途中に設置され、内燃機関で発生する排気ガスを浄化して排出している。

これらのＤＰＦでは、ＰＭの捕集により目詰まりが進行して、排気ガスの圧力が上昇するので、捕集されたＰＭを電気ヒータやバーナーによる加熱で燃焼させたり、逆洗等で除去したりして、目詰まりを解消し、ＤＰＦを再生する必要がある。そのため、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を設けたり、フィルタに触媒を担持させたりして、触媒作用により、ＰＭの燃焼除去に必要な排気温度を低くすることにより、排気ガスでＰＭの再生を行う連続再生型ＤＰＦ装置も開発されている。この連続再生型ＤＰＦ装置においては、排気温度が約３５０℃以上の時には、このＤＰＦに捕集されたＰＭは連続的に燃焼して浄化され、ＤＰＦは自己再生する。

しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦ装置においても、排気温度が低い場合やＮＯの排出が少ない内燃機関の運転状態、例えば、内燃機関のアイドル運転や低負荷・低速度運転等の低排気温度状態が継続した場合においては、触媒の温度が低下して活性化しないため、酸化反応が促進されず、ＰＭを酸化してフィルタを再生できないため、ＰＭのフィルタへの堆積が継続されて、フィルタの目詰まりが進行する。

そのため、このフィルタの目詰まりによる排圧上昇の問題に対処するために、フィルタの目詰まりが所定の目詰まり量を超えた時に排気温度を強制的に昇温させて、捕集されているＰＭを強制的に燃焼除去することが考えられており、通常、これらの連続再生型ＤＰＦ装置では、このＰＭの捕集量（蓄積量，累積量）が予め設定したＰＭの捕集限界値に到達した時に、自動的に、内燃機関の運転状態を強制再生モード運転に変更して、排気温度を強制的に上昇させたり、ＮＯx の量を増加させたりして、フィルタに捕集されたＰＭを酸化除去して再生処理を行っている。

そして、現在実用化及び提案されているＤＰＦシステムでは、このフィルタの目詰まりの検出の簡素化したシステムとしては、予め運転条件に対するＰＭ排出量のデータをマップデータとして、電子制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）内に記憶し、運転時間の積算時間からＰＭ排出量を算出し，このＰＭ排出量を累積計算してＰＭ捕集量を求めてフィルタ再生開始を指示するシステムがあるが、この積算時間からＰＭ排出量を求める方式では気象条件等の予期できない条件で誤差が大きく、フィルタの前後差圧で目詰まりを検出する方法が主に用いられている。

このフィルタの前後差圧による検出方法では、電子制御を利用し、予め記録された運転条件に、再生が必要となる限界フィルタ差圧を指定しておき、フィルタの出口と入口の排気ガス圧力の差、即ち、フィルタ圧力損失による差圧を、この限界フィルタ差圧と比較して、フィルタの再生開始を判断している。

また、このＤＰＦシステムにおいては、フィルタが破損した場合、その検出が必要となるが、この場合にもフィルタの前後差圧の変化で検出している。

しかしながら、このＤＰＦフィルタのＰＭ捕集量をフィルタの前後差圧によって検出する方法では、エンジン運転条件によって判定の基準となる限界フィルタ差圧の値が大きく変化してしまうため、各運転条件による限界フィルタ差圧の値のデータをマップデータ等で電子制御装置内等に記憶しておいて、その判定用差圧値と比較してフィルタ再生が必要か否かを決定する必要がある。また、ＰＭ捕集量とフィルタの前後差圧は直線関係になく、特に低捕集量域ではＰＭ捕集量感度が低い。

そのため、ＰＭ捕集量の計測誤差により、ＰＭ捕集量が過大となり、ＰＭ再生時にこの過大に捕集されたＰＭが瞬時に燃焼することによる暴走燃焼が生じ、フィルタの溶損等のシステムの破損を招くという問題がある。そして、この問題を回避して、システムの安全性を確保するためには、インターバルの短い再生処理を頻繁に行う必要が生じ、再生エネルギーの増加を招き、燃費が悪化する。

また、低フィルタ圧力損失域では、フィルタ破損時の検出感度が特に低いため、フィルタが破損しても検出し難く、また、フィルタ効率の低下等によるＰＭの排出増加やブローオフ等を検出することができないという問題もある。

そのため、マイクロ波センサで電磁場強度を測定してＰＭ量を検出する排気ガス浄化装置（例えば、特許文献１参照。）や、煤粒子（ＰＭ）を帯電させてその通過に伴う電流から煤粒子通過量を測定し、ＤＰＦの上流側と下流側の煤粒子通過量を比較することにより、ＤＰＦの目詰まりを検出する煤粒子検出センサ（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。

このマイクロ波センサを用いる場合では、フィルタにＰＭが付着するとフィルタの誘電率、誘電損失が変化し、フィルタ内のマイクロ波の位相がずれ、マイクロ波強度が変化することを利用し、マイクロ波検出位置を固定して、その場所におけるマイクロ波強度を測定し、このマイクロ波強度の変化によりＰＭ付着量を検出している。

しかしながら、このフィルタの誘電率、誘電損失は、フィルタの材質や温度の影響を受けるため、温度補正をする必要があり、また、直接的な位相差測定では無く、定在波を利用してマイクロ波センサで電磁場強度を検出しているため、１点計測では、マイクロ波の減衰の影響を分離するのが難しく、精度よく検出できないという問題がある。そのため、複数箇所で計測を行って、総合的に評価したり、あるいは、マップデータを用いて面倒な評価をする必要がある。

そして、マイクロ波として通常使用している２．４５ＧＨｚのマイクロ波では、波長が１２ｃｍ程度となり分解能が低いので、この波長以下の局所的なＰＭ捕集量の濃淡を検出できない。そのため、局所的なＰＭの堆積によって、フィルタの再生制御時に、暴走燃焼による局部的な高温が生じて発生するフィルタの溶損を防止できない。更に、全体を金属で覆わないと、外部のマイクロ波の影響を受けたり、装置内のマイクロ波が外部に漏れるという問題がある。

また、電流から煤粒子通過量を測定する場合では、計測する微粒子に電圧を掛け、ＰＭが輸送する電流を計測して、ＰＭ量を検出するが、極端にＰＭ濃度の異なる排気ガスが流入するとＰＭの荷電効率が変化してしまうため、ＰＭ量の正確な計測ができなくなくなる。そのため、フィルタの捕集されたＰＭ捕集量を正確に測定することができなくなるという問題がある。
特開平１０−２２０２１９号公報特開２００２−２８５８２２号公報

本発明の目的は、捕集容器に捕集された粒子状物質の捕集量を、簡便且つ正確に検出できる捕集量検出方法及び捕集量検出装置を提供することにある。

また、更なる目的は、ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムにおいて、エンジン運転条件、排気ガス流量等に関係することなく、ＰＭ捕集量をより正確にまた瞬時に検出することにより、再生頻度を減らして燃費の向上を図ることができる排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の捕集量検出方法は、捕集容器に捕集した粒子状物質の捕集量を検出する捕集量検出装置において、前記捕集容器の外周に巻回した一次コイルに交流電流を流した時に、前記捕集容器の外周に巻回した二次コイルに発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出し、該検出された電流又は電圧の少なくとも一方から前記捕集量を算出することを特徴とする。

つまり、ＤＰＦ等の捕集容器の外周に設置された一次コイルに交流電流を流すと、、二次コイルにＰＭ捕集量に対応した誘導起電力が発生する。この発生した二次コイル電流を電流又は電圧の少なくとも一方でＰＭ等の粒子状物質の捕集量を算出することにより捕集量を正確に瞬時に検出する。

また、この捕集量検出方法を利用した排気ガス浄化システムの制御方法は、前記捕集容器をＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）で形成し、前記粒子状物質を内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質とした排気ガス浄化システムにおいて、前記の捕集量検出方法により、前記ＤＰＦに堆積した粒子状物質の捕集量を検出し、該検出された捕集量により前記ＤＰＦの再生時期を判定することを特徴とする。

この捕集量検出方法は、内燃機関の運転条件や排気ガス流量に関係せずに、ＤＰＦに捕集されたＰＭの捕集量を検出できる。また、瞬時にＰＭの捕集量の変化も検出できるので、フィルタの溶損や破損も検出できる。

これにより、感度よくＤＰＦに捕集されたＰＭの捕集量を正確に瞬時に検出することができるようになり、ＤＰＦの再生時期の判定値を限界に近い値に設定できる。そのため、ＰＭの暴走燃焼を回避しながら、適正なインターバルで再生制御を行うことができるようになるので、再生頻度を減少して燃費を向上させることができる。

そして、目的を達成するための本発明の捕集量検出装置は、捕集容器に捕集した粒子状物質の捕集量を検出する捕集量検出装置であって、前記捕集容器の外周に巻回した一次コイルと二次コイルと、前記一次コイルに交流電流を流すための電源と、前記一次コイルに交流電流を流した時に前記二次コイルに発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出する電気量検出手段と、該電気量検出手段により検出された電流又は電圧の少なくとも一方から前記捕集量を算出する捕集量算出手段とを備えて構成される。

この捕集量検出装置において、前記粒子状物質が内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質であり、前記捕集容器がＤＰＦである場合には、ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムで、ＰＭの捕集量を正確にまた瞬時に検出できる。

また、この捕集量検出装置を備えた排気ガス浄化システムは、前記捕集量検出装置を備えると共に、該捕集量検出装置により、前記ＤＰＦに堆積した粒子状物質の捕集量を検出し、該検出された捕集量により前記ＤＰＦの再生時期を判定する再生時期判断手段を備えて構成される。

なお、上記の排気ガス浄化システムにおけるＤＰＦとしては、ＤＰＦ装置の触媒を担持しないＤＰＦ、連続再生型ＤＰＦ装置の酸化触媒を担持させたＤＰＦ、上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置のＤＰＦ、上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置の触媒を担持したＤＰＦ等がある。

本発明の捕集量検出方法及び捕集量検出装置によれば、比較的単純な装置で、捕集容器に捕集された導電性の捕集対象物の捕集量を正確にまた瞬時に検出できる。

また、本発明の捕集量検出方法又は捕集量検出装置を利用した排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システムによれば、エンジン運転条件、排気ガス流量等に関係することなく、ＤＰＦの前後差圧を用いる方法よりも、ＰＭ捕集量をより正確にまた瞬時に検出できるので、ＰＭ再生時期の判定値をより限界値近傍に設定できる。そのため、再生頻度を減らして燃費の向上を図ることができる。その上、瞬時にＰＭの捕集量の変化も検出できるので、ＤＰＦの溶損や破損も検知できる。従って、ＤＰＦ装置の再生に関して、効率良くＤＰＦを再生でき，また、ＤＰＦの破損の回避及び破損の検知に優れた性能を示すことができる。

以下、本発明に係る実施の形態の捕集量検出方法、捕集量検出装置、排気ガス浄化システムの制御方法、及び、排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に、この実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システムは、排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する捕集容器であるＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２０の周囲に一次コイル１２と二次コイル１３が巻回される。

このＤＰＦ２０は、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目封じして形成され、排気ガスＧ中のＰＭを多孔質のセラミックの壁で捕集（トラップ）する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、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成され、フィルタの無機繊維でＰＭを捕集する繊維型フィルタタイプのフィルタで形成される。

なお、酸化触媒と触媒付きフィルタで組み合わせた連続再生型ＤＰＦ装置の場合には、セラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成された酸化触媒を上流側に配置すると共に、下流側に配置したフィルタ（ＤＰＦ）に白金や酸化セリウム等の触媒を担持させる。

一次コイル１２は交流電流を発生する電源１４に直流交流変換器１１を介して接続され、二次コイル１３は、一次コイル１２に交流電流を流した時に発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出する電気量検出手段１５に接続される。この二次コイル１３の巻数は、一次コイル１２の巻数の３倍〜５０倍、好ましくは１０倍〜２０倍程度にし、図２に示すように、別巻きとしてもよく、同軸上で重ね巻きしてもよく、また、混在して巻回してもよい。この電気量検出手段１５は電流計や電圧計等で構成される。

この一次コイル１２に流す交流電流の電圧は、車両用では４０Ｖ程度までであるが、できるだけ高い方が良く、また、交流周波数を高くすると、二次出力の感度を上げて電気量検出手段１５で検出される電流や電圧を大きくすることができる。

この排気ガス浄化システム１は、図３に示すように、車両２の内燃機関３の排気通路４に配置され、ＤＰＦ２０の前後に排気温度センサ２１、２２が設けられる。

そして、図４に示すように、この一次コイル１２に電源１４から交流電流Ｉ１を流すと、磁力線Ｂが発生し、この磁力線Ｂは二次コイル１３を通るので、二次コイル１３に交流電流Ｉ１によって発生する磁束の変化が伝わり、相互誘導作用により二次コイル１３に誘導電流Ｉ２が発生する。この誘導電流Ｉ２は、磁力線Ｂの強度に対応して変化するが、ＰＭの煤（ＳＯＯＴ）成分は導電物質であるので、ＰＭが堆積すると磁力線Ｂの強度が変化し、その強さは煤の存在量に対応して強くなる。従って、二次コイル１３側に発生する電流Ｉ２や電圧Ｖ２は煤の存在量に対応することになる。つまり、一次コイル１２側に交流電流Ｉ１を流し、一次コイル１２と二次コイル１３との間に、鉄片等の導電性物質を置くと磁力線Ｂの強度がその鉄片の存在量に対応して大きくなり、二次コイル１３側に磁力線Ｂの強度に対応した電流Ｉ２が流れるのと同じ原理である。

この二次コイル１３側の電流Ｉ２や電圧Ｖ２とＰＭ捕集量との関係を，予め実験や試験等により求めて置き、制御時に電気量検出手段１５で検出された電流Ｉ２や電圧Ｖ２からフィルタに堆積したＰＭ量を算出する。図５にＰＭ捕集量と検出電圧の関係の一例を示す。なお、この図５のＡは再生開始時期を示している。

次に、この排気ガス浄化システム１０のＤＰＦ再生制御について説明する。この排気ガス浄化システム１０の制御において、通常の運転が行われ、ＰＭを捕集するが、この通常の運転において、一次コイル１２に交流電流Ｉ１を流し、電気量検出手段１５で検出された電流Ｉ２または電圧Ｖ２を検出する。この電流Ｉ２または電圧Ｖ２から、予め、求めておいた電流Ｉ２または電圧Ｖ２とＰＭ捕集量の関係から、ＰＭ捕集量を算出する。このＰＭ捕集量を、予め設定した限界ＰＭ捕集量と比較し、検出されたＰＭ捕集量が限界ＰＭ捕集量より大きくなった時に、ＤＰＦの再生開始時期であると判定し、ＤＰＦの再生を開始する。そして、このＤＰＦの再生処理を終えると、通常の運転状態に戻り、ＰＭの捕集を行う。

このＤＰＦの再生処理は、エンジンの燃料噴射制御において、ポスト噴射（後噴射）等により排気温度を強制的に昇温させる排気昇温制御等により、ＤＰＦ２０に捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去して強制再生することにより行われる。また、連続再生ＤＰＦ装置の場合には、主噴射後、通常の燃焼よりも遅いタイミングで燃焼が継続するように、遅延されたタイミングで補助噴射を行う、いわゆるマルチ噴射（多段遅延噴射）を行って排気温度をＤＰＦ２０の上流側に配置された酸化触媒（図示しない）の活性温度まで上昇させる。その後、マルチ噴射による排気昇温制御に加えポスト噴射を行って排気ガス中に未燃燃料を添加し、この未燃燃料を酸化触媒で酸化させることにより、ＤＰＦ２０の入口排気温度を上げて、ＰＭの酸化除去に適した温度や環境になるようにし、ＤＰＦ２０に捕集されたＰＭを燃焼除去する。なお、マルチ噴射に加えて、排気絞り制御を併用することもあり、更には、吸気絞り制御やＥＧＲ制御も併用する場合ある。

そして、この捕集量検出方法及び捕集量検出装置１０によれば、比較的単純な装置で、捕集容器２０に捕集された導電性の捕集対象物の捕集量を正確にまた瞬時に検出できる。また、本発明の捕集量検出方法又は捕集量検出装置１０を利用した排気ガス浄化システムの制御方法及び排気ガス浄化システム１によれば、エンジン運転条件、排気ガス流量等に関係することなく、ＤＰＦの前後差圧を用いる方法よりも、ＰＭ捕集量をより正確にまた瞬時に検出できるので、ＰＭ再生時期の判定値をより限界値近傍に設定できる。そのため、再生頻度を減らして燃費の向上を図ることができる。その上、瞬時にＰＭの捕集量の変化も検出できるので、ＤＰＦ２０の溶損や破損も検知できる。従って、ＤＰＦ２０の再生に関して、効率良くＤＰＦ２０を再生でき，また、ＤＰＦ２０の破損の回避及び破損の検知に優れた性能を示すことができる。

なお、排気ガス浄化システム１におけるＤＰＦ２０としては、触媒を担持しないＤＰＦと、上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置の触媒を担持したＤＰＦを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上流側に酸化触媒を設けた連続再生型ＤＰＦ装置の触媒を担持しないＤＰＦ、上流側に酸化触媒を設けない連続再生型ＤＰＦ装置の酸化触媒を担持させたＤＰＦ等の他のタイプのＤＰＦ装置のＤＰＦにも適用可能である。

本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムのシステム構成図である。一次コイルと二次コイルの実施の形態を示す図で、（ａ）は別巻きの状態を、（ｂ）は同軸上の重ね巻きの状態を、（ｃ）は混在巻きの状態をそれぞれ示す図である。排気ガス浄化システムの車両における配置を示す図である。本発明に係る捕集量検出装置の原理を説明するための図である。ＰＭ捕集量と検出電圧の関係の一例を示す図である。

符号の説明

１排気ガス浄化システム
２車両
３内燃機関
４排気通路
１０捕集量検出装置
１１直流交流変換器
１２一次コイル
１３二次コイル
１４電源
１５電気量検出手段
２０ＤＰＦ

Claims

捕集容器に捕集した粒子状物質の捕集量を検出する捕集量検出装置において、前記捕集容器の外周に巻回した一次コイルに交流電流を流した時に、前記捕集容器の外周に巻回した二次コイルに発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出し、該検出された電流又は電圧の少なくとも一方から前記捕集量を算出することを特徴とする捕集量検出方法。
前記捕集容器をディーゼルパティキュレートフィルタで形成し、前記粒子状物質を内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質とした排気ガス浄化システムにおいて、前記請求項１記載の捕集量検出方法により、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の捕集量を検出し、該検出された捕集量により前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を判定することを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
捕集容器に捕集した粒子状物質の捕集量を検出する捕集量検出装置であって、前記捕集容器の外周に巻回した一次コイルと二次コイルと、前記一次コイルに交流電流を流すための電源と、前記一次コイルに交流電流を流した時に前記二次コイルに発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出する電気量検出手段と、該電気量検出手段により検出された電流又は電圧の少なくとも一方から前記捕集量を算出する捕集量算出手段とを備えたことを特徴とする捕集量検出装置。
前記粒子状物質が内燃機関から排出される排気ガス中の粒子状物質であり、前記捕集容器がディーゼルパティキュレートフィルタであることを特徴とする請求項３記載の捕集量検出装置。
前記請求項４記載の捕集量検出装置を備えると共に、該捕集量検出装置により、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の捕集量を検出し、該検出された捕集量により前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生時期を判定する再生時期判断手段を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。