JP5605499B2 - 粒子状物質処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、粒子状物質処理装置に関する。
内燃機関の排気通路に放電電極を設け、該放電電極からコロナ放電を発生させることにより粒子状物質(以下、PMともいう。)を帯電させてPMを凝集させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。PMを凝集させることにより、PMの粒子数を減少させることができる。また、PMの粒子径が大きくなるため、下流側にフィルタを設けたときに該フィルタにてPMを捕集しやすくなる。
また、放電電極を通る電流が所定値以上のときに、該放電電極にPMが付着していると判定し、放電電極からPMを除去するために印加電圧を増加させる技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
また、電極と該電極が取り付けられるハウジングとの間に電気が流れないように碍子が設けられ、コロナ放電用の電圧の数分の一程度の検査電圧を電極に印加したときの所定期間の平均電流が所定値以上の場合に、碍子にPMが付着して絶縁性能が低下していると判定する技術が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
この技術では、碍子の表面に付着した物質を介して電気が流れることを検出している。ここで、コロナ放電などの強い放電が発生する電圧より低い電圧を電極へ印加する場合であっても、排気中に浮遊している物質を介して電気が流れ得る。しかし、従来では、排気中に浮遊している物質を介して電気が流れたときに検出される電流については考慮されていなかった。そして、このときの電流を活用することもなかった。
なお、始動直後に点火時期が遅角される機関において、点火時期を遅角しているときに、排気通路に設けられているイオンセンサを用いてHCを検出しつつ空燃比のフィードバック制御する技術が知られている(例えば、特許文献4参照。)。しかし、イオンセンサと粒子状物質処理装置とを共に設けるとすると、コストアップとなると共に、双方を取り付ける場所も確保しなくてはならない。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、粒子状物質処理装置を利用して排気中のHC濃度を高精度に推定することを目的とする。
上記課題を達成するために本発明による粒子状物質処理装置は、
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでPMを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
前記接地部において電流を検出する検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記検出装置により検出される電流に基づいて排気中のHC濃度を推定する推定装置と、
を備える。
電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでPMを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
前記接地部において電流を検出する検出装置と、
前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記検出装置により検出される電流に基づいて排気中のHC濃度を推定する推定装置と、
を備える。
すなわち、検出装置は、電極よりも電位の基準点側において電流を検出する。一般に、電極より電源側では、電極より接地側よりも、配線が長かったり、配線を太くしたりする。また、電極よりも電源側では電荷が蓄えられることもある。そうすると、仮に電極よりも電源側において電流を検出した場合には、電極を通る電流が変化しても、そのときに検出装置により検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、電流を正確に検出することが困難な場合もある。
一方、電極より接地側では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、電極より接地側において電流を検出した場合には、電流をより正確に検出することができる。
また、絶縁部を備えることにより、接地部以外に電気が流れることを抑制している。これにより、検出装置にて正確に電流を検出することができる。
ここで、電極に電圧を印加すると、PMを帯電させることができる。帯電したPMは、クーロン力や排気の流れにより処理部の内壁へ向かって移動する。処理部の内壁に到達したPMは、処理部に電子を放出するため、電極よりも接地側に電気が流れる。そして、電子を放出したPMは、近くに存在する他のPMと凝集するため、粒子数を減少させることができる。
また、排気中に未燃燃料であるHCが含まれると、該HCがキャリアとなるため、電極に電圧を印加したときにHCを介して電流が通る。この電流は、検出装置において検出される。そして、排気中のHC濃度と検出される電流とには相関関係がある。しかも、HCを介して電流が通る場合には、PMを介して電流が通る場合よりも、検出される電流が大きい。すなわち、検出装置において検出される電流の大きさをみれば、排気中にHCが存在していると推定できる。そして、排気中のHC濃度が高いほど電流が大きくなるため、検出装置において検出される電流に基づいてHC濃度を推定することができる。そして、絶縁部を備えていることにより、検出装置にて正確に電流を検出することができるため、HC濃度を正確に求めることができる。
また、本発明においては、前記検出装置により検出される電流が、第1閾値よりも大きな場合には、該第1閾値以下の場合よりも、前記内燃機関の点火時期を遅角させる制御装置を備えることができる。
ここで、火花点火式の内燃機関において、点火時期を遅角させることにより、排気通路内におけるHCの酸化反応を促進させることができるため、HC濃度を低減させることができる。また、点火時期を遅角させることにより、排気の温度を上昇させることができるため、触媒の温度を速やかに上昇させることができる。なお、処理部よりも上流側に触媒を備えていてもよい。そして、HC濃度が高いときに点火時期を遅角させることにより、HC濃度を低減させつつ触媒の温度を速やかに上昇させることができる。触媒の温度が上昇して活性化すれば、HCを浄化することができる。また、処理部よりも上流側に触媒を備えていれば、触媒が活性化した後は、処理部にはHCがほとんど流入しなくなるため、検出装置により検出される電流はHCの影響をほとんど受けなくなる。なお、ここでいう第1閾値は、HC濃度が許容範囲の上限となっているときに検出される電流とすることができる。
また、本発明においては、前記制御装置は、前記検出装置により検出される電流が大きいほど、前記内燃機関の点火時期の遅角量を大きくすることができる。
HC濃度と検出装置により検出される電流とは相関関係にあり、検出装置により検出される電流が大きいほど、HC濃度が高いと推定することができる。一方、内燃機関の点火時期を遅角させるほど、HCの低減効果が大きくなる。したがって、検出装置により検出される電流が大きいほど、点火時期の遅角量を大きくすることにより、HC濃度を効果的に低減させることができることを抑制できる。また、HC濃度が低いときには、点火時期の遅角量が小さくされることにより最適な点火時期に近付くので、たとえば燃費の悪化を抑制できる。なお、推定装置により推定されるHC濃度が高いほど、内燃機関の点火時期の遅角量を大きくしてもよい。
また、本発明においては、前記制御装置は、前記内燃機関の始動時に点火時期を遅角させることができる。
内燃機関の始動時には、HCが多く排出される。また、触媒の温度が低いために、HCを浄化することが困難な場合もある。したがって、内燃機関の始動時には、HC濃度の低減が求められる。これに対して、内燃機関の始動時に点火時期を遅角させることにより、HC濃度を低減させることができる。なお、内燃機関の始動開始からHCの排出量が多い期間を内燃機関の始動時としてもよい。また、触媒が活性化するか、または内燃機関の暖機が完了するまでの期間を内燃機関の始動時としてもよい。内燃機関の始動直後に点火時期を遅角させるとしてもよい。
また、本発明においては、前記検出装置により検出される電流が第2閾値以下の場合に、粒子状物質を凝集させる処理を実行することができる。
すなわち、HC濃度が高い場合には、粒子状物質を凝集させる処理を実行しない。ここで、HC濃度が高いときには、電極を通る電流が大きくなる。そうすると、粒子状物質処理装置が劣化する虞がある。また、消費電力が大きくなることにより燃費が悪化する虞がある。これに対し、印加電圧を減少させることで、電流が大きくなることを抑制できる。一方、HC濃度が低ければ、印加電圧をより大きくすることができる。そして、印加電圧を大きくすることで、電極からより多くの電子を放出させることができるため、PMの凝集をより促進させることができる。
なお、印加電圧を大きくしすぎるとコロナ放電やアーク放電などの強い放電が発生する。この強い放電が発生すると高速電子によりPMが微細化されてしまう。そこで、該強い放電が発生しない範囲で印加電圧を可及的に増加させることで、PMの凝集を促進させることができる。強い放電が発生すると、パルス電流が発生するため、検出装置においてパルス電流が検出された場合には、印加電圧を低減させることによりPMが微細化されることを抑制できる。粒子状物質を凝集させる処理とは、検出装置において検出される電流に基づいて印加電圧をフィードバック制御することとしてもよい。なお、検出装置により検出される電流が第2閾値以下の場合には、第2閾値より大きな場合よりも、印加電圧を高くするだけでもよい。第2閾値は、検出電流が排気中のHC濃度の影響を受けない場合の上限値であり、粒子状物質を凝集させることができる電流の上限値とすることができる。
また、本発明においては、前記電極の再生を行う再生装置と、
前記検出装置により検出される電流に基づいて、前記再生装置による電極の再生を行うか否か判定する判定装置と、
前記検出装置により検出される電流が第3閾値よりも大きな場合に前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備えることができる。
前記検出装置により検出される電流に基づいて、前記再生装置による電極の再生を行うか否か判定する判定装置と、
前記検出装置により検出される電流が第3閾値よりも大きな場合に前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備えることができる。
電極に付着したPMまたは水などの物質を介して電極と処理部との間に電気が流れると、検出装置により検出される電流が大きくなる。例えば、この検出される電流がそのときの排気の状態から推定される電流よりも大きければ、電極に付着物が存在していると判定できる。
ここで、電極にPMまたは水などの物質が付着すると、排気中に浮遊しているPMを帯電させることが困難となるので、PMを凝集させることが困難となる。このため、電極の付着物を除去する処理が行われる。付着物の除去は、たとえば電極の温度を上昇させることにより行うことができる。なお、電極から付着物を除去することを、電極の再生という。
しかし、排気中のHC濃度が高い場合には、検出装置により検出される電流が大きくなるため、電極の付着物を介して電気が流れている場合と区別し難い。したがって、検出される電流が第3閾値よりも大きな場合には、判定装置による判定を禁止する。これにより、必要がないのにもかかわらず、電極の再生処理が行われることを抑制できる。このため、たとえば、必要のないときに電極の温度を上昇させることがなくなるため、燃費を向上させることができる。なお、第3閾値は、検出電流が排気中のHC濃度の影響を受けない場合の上限値であり、電極の再生が必要か否かを判定することができる電流の上限値とすることができる。第3閾値は、第2閾値と同じ値としてもよい。
本発明によれば、粒子状物質処理装置を利用して排気中のHC濃度を高精度に推定することができる。
以下、本発明に係る粒子状物質処理装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
(実施例1)
図1は、本実施例に係る粒子状物質処理装置1の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置1は、火花点火式のガソリン機関の排気通路2に設けられる。内燃機関には、点火プラグ75が設けられている。
図1は、本実施例に係る粒子状物質処理装置1の概略構成を示す図である。粒子状物質処理装置1は、火花点火式のガソリン機関の排気通路2に設けられる。内燃機関には、点火プラグ75が設けられている。
粒子状物質処理装置1は、両端が排気通路2に接続されているハウジング3を備えて構成される。ハウジング3の材料には、ステンレス鋼材を用いている。ハウジング3は、排気通路2よりも直径の大きな中空の円柱形に形成されている。ハウジング3の両端は、端部に近くなるほど断面積が小さくなるテーパ状に形成されている。なお、図1においては、排気が排気通路2を矢印の方向に流れて、ハウジング3内に流入する。このため、ハウジング3は排気通路2の一部としてもよい。なお、本実施例においてはハウジング3が、本発明における処理部に相当する。
排気通路2とハウジング3とは、絶縁部4を介して接続されている。絶縁部4は、電気の絶縁体からなる。絶縁部4は、排気通路2の端部に形成されるフランジ21と、ハウジング3の端部に形成されるフランジ31と、に挟まれる。排気通路2とハウジング3とは、たとえばボルト及びナットにより締結される。そして、これらボルト及びナットを介して電気が流れないように、これらボルト及びナットにも絶縁処理を施しておく。このようにして、排気通路2とハウジング3との間に電気が流れないようにしている。
ハウジング3には、電極5が取り付けられている。電極5は、ハウジング3の側面を貫通しており、該ハウジング3の側面から該ハウジング3の中心軸方向へ延びて該中心軸近傍において排気の流れの上流側へ折れ曲がり、該中心軸と平行に排気の流れの上流側へ向かって伸びている。このため、電極5の端部はハウジング3の中心軸近傍に位置する。また、電極5とハウジング3との間に電気が流れないように、電極5には電気の絶縁体からなる碍子部51が設けられている。この碍子部51は、電極5とハウジング3との間に位置しており、電気を絶縁すると共に、電極5をハウジング3に固定するための機能を有する。
そして、電極5は電源側電線52を介して電源6に接続されている。電源6は、電極5へ通電すると共に、印加電圧を変更することができる。この電源6は、電線を介して制御装置7及びバッテリ8に接続されている。制御装置7は、電源6が電極5に印加する電圧を制御する。
また、ハウジング3には接地側電線53が接続されており、該ハウジング3は接地側電線53を介して接地されている。接地側電線53には、該接地側電線53を通る電流を検出する検出装置9が設けられている。検出装置9は、例えば、接地側電線53の途中に設けられる抵抗の両端の電位差を測定することで電流を検出する。この検出装置9は、電線を介して制御装置7に接続されている。そして、検出装置9により検出される電流が制御装置7に入力される。なお、本実施例においては接地側電線53が、本発明における接地部に相当する。
なお、制御装置7には、アクセル開度センサ71、クランクポジションセンサ72、温度センサ73、エアフローメータ74が接続されている。アクセル開度センサ71は、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷を検出する。クランクポジションセンサ72は、機関回転数を検出する。温度センサ73は、内燃機関の冷却水の温度または潤滑油の温度を検出することで内燃機関の温度を検出する。エアフローメータ74は、内燃機関の吸入空気量を検出する。また、制御装置7は、点火プラグ75の点火時期を制御する。
このように構成された粒子状物質処理装置1では、電源6から電極5へ負の直流高電圧を印加することで、該電極5から電子が放出される。すなわち、ハウジング3よりも電極5のほうの電位を低くすることで、電極5から電子を放出させている。そして、この電子により排気中のPMを負に帯電させることができる。負に帯電したPMは、クーロン力とガス流によって移動する。そして、PMがハウジング3へ到達すると、PMを負に帯電させた電子は該ハウジング3へと放出される。ハウジング3へ電子を放出したPMは凝集して粒子径が大きくなる。また、PMが凝集することで、PMの粒子数は低減する。すなわち、電極5へ電圧を印加することで、PMの粒子径を大きくし且つPMの粒子数を低減させることができる。
なお、本実施例では、電極5を排気の流れの上流側に向けて折り曲げているが、これに代えて、下流側に向けて折り曲げてもよい。ここで、本実施例のように、電極5を排気の流れの上流側に向けて折り曲げると、碍子部51にPMが付着し難い。すなわち、碍子部51よりも上流側においてPMを帯電されることができるため、該PMがハウジング3の内周面に向かう。このため、碍子部51に衝突するPMが減少するので、該碍子部51にPMが付着し難くなる。しかし、電極5を排気の流れの上流側へ向けて折り曲げると、排気の流れから力を受けて電極5が変形し易い。このため、電極5が短い場合に適している。一方、電極5を排気の流れの下流側に向けて折り曲げると、碍子部51にPMが付着し易いが、排気の流れから力を受けても電極5が変形し難い。このため、耐久性及び信頼性が高く、電極5を長くすることができる。
ところで、排気中に未燃燃料であるHCが含まれていると、電極5へ電圧を印加したときにHCが電子のキャリアとなって電気が流れる。HC濃度が高いときには、排気中のPMを介して通る電流よりも大きな電流が流れる。
ここで、図2は、検出装置9により検出される電流の推移を示した図である。横軸は、内燃機関の始動からの経過時間である。時間が0のときに内燃機関が始動されている。図2は、印加電圧を変化させて、印加電圧毎に夫々検出された電流の推移を示している。図2に示されるように、どの印加電圧においても、内燃機関の始動からAまでの期間は検出電流が比較的大きいが、それ以降の検出電流は比較的小さい。この比較的大きな検出電流は排気中のHCにより生じるイオン電流である。すなわち、内燃機関の始動からおよそAまでの期間は、内燃機関から排出されるHCにより生じるイオン電流により検出電流が比較的大きくなっている。なお、Aはたとえば20秒とすることができる。
一方、内燃機関の始動からおよそAまでの期間が経過した後は、ハウジング3に流入するHC濃度が低下したために、イオン電流がほとんど発生していない。なお、HC濃度が低下する場合には、内燃機関から排出されるHC量が低下する場合、または、触媒の活性化によりHCが浄化されている場合が考えられる。そして、このときに検出される電流は、主に排気中を浮遊しているPMを介して通る電流である。なお、図2に示した検出電流では、内燃機関の始動からおよそAまでの期間でイオン電流が発生しているが、内燃機関の運転状態や燃料の種類などによりイオン電流が発生する時期は異なる。
そして、HCによるイオン電流は、PMを介して通る電流よりもはるかに大きい。このため、検出装置9により検出される電流は、排気中のHC濃度と相関関係にあるといえる。このため、電流を検出することで、排気中のHC濃度を推定することができる。すなわち、排気中のHC濃度を検出するHCセンサとして粒子状物質処理装置1を用いることができる。検出装置9により検出される電流と、HC濃度との関係は予め実験等により求めておくことができる。
そして、HC濃度が許容される上限(第1閾値)よりも高いときには、HC濃度を低減させるために点火時期を遅角させる。ここで、点火時期を遅角させることにより、内燃機関から排出されるガスの温度が上昇する。このため、排気通路2の中でHCと酸素との反応が促進されるため、HC濃度が低下する。すなわち、気筒内においてHC濃度が高くても、排気通路2内でHC濃度を低下させることができる。また、排気通路2には一般的に触媒が設けられているが、排気の温度が高くなることにより触媒の温度が速やかに上昇する。そして、触媒の活性化によりHC濃度が低下する。なお、本実施例では、粒子状物質処理装置1よりも上流側にHCを酸化させるための触媒を設けてもよい。これにより、触媒が活性化した後はハウジング3にHCがほとんど流入しなくなるため、HCによる検出電流の増加がなくなる。そうすると、PMを凝集させるための制御を容易に行うことができる。
また、絶縁部4を備えているため、排気通路2へ電気が通ることが抑制される。したがって、PMやHCを介してハウジング3へ通る電流は、検出装置9により検出される。また、接地側電線53において電流を検出することで、電流の検出精度を高めることができる。一般に、接地側電線53よりも、電源側電線52のほうの、配線が長かったり、配線を太くしたりする。そうすると、仮に電源側電線52において電流を検出した場合には、実際の電流の変化に対して検出される電流の上昇および下降が緩慢となる。このため、電流の検出精度が低くなる虞がある。
一方、接地側電線53では、相対的に配線を短く且つ細くすることができる。このため、接地側電線53において電流を検出したほうが、実際の電流の変化に対する応答性が高い。したがって、接地側電線53において電流を検出することで、より正確に電流を検出することができる。すなわち、より正確にHC濃度を推定することができる。
次に、図3は、本実施例に係る点火時期の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置7により所定の時間毎に繰り返し実行される。
ステップS101では、電極5への印加電圧が算出される。印加電圧は、推定されるPM粒子数(個/cm3)に応じて設定する。このPM粒子数は、内燃機関から排出されるPM粒子数であり、ハウジング3に流入する前のPM粒子数である。PM粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度(たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度)と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。機関回転数と機関負荷とから、PM粒子数を算出するためのマップを内燃機関の温度に応じて複数記憶しておき、該マップに基づいてPM粒子数を算出してもよい。
なお、機関回転数は、クランクポジションセンサ72により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ71により検出される。また、内燃機関の温度は温度センサ73により検出される。また、PM粒子数を検出するセンサをハウジング3よりも上流側の排気通路2に取り付けて、該センサによりPM粒子数を検出してもよい。
そして、該PM粒子数及び内燃機関の排出ガス量(g/sec)に基づいて印加電圧を算出する。この関係は予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。内燃機関の排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ74により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
ここで、排出ガス量が少ないほど、PMの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、PMが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でPMが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、PM粒子数が多いほど、PM粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためPM粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でPMが凝集する。このため、PM粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。また、印加電圧は、たとえば、PM粒子数の低減率が所定値(たとえば40%)となるような値としてもよい。また、印加電圧を予め定めておいた規定値としてもよい。この場合、HC濃度を検出可能な最低限の印加電圧としてもよい。すなわち、PMを凝集させるときよりも印加電圧を小さくしてもよい。
そして、印加電圧が算出された後、ステップS102へ進み、電流が検出される。この電流は、検出装置9により検出される値である。
ステップS103では、内燃機関の始動直後であるか否か判定される。ステップS103では、HC濃度が高くなり得る時期であるか否か判定している。すなわち、内燃機関の始動直後とは、燃焼状態が悪化し易いとき、触媒が活性する前のとき、内燃機関から排出されるHC量が比較的多いとき(HC濃度が比較的高いときとしてもよい)などである。内燃機関の始動開始から所定期間の間は、始動直後であると判定してもよい。また、内燃機関の始動開始から点火時期を遅角する制御が行われている期間は内燃機関の始動時であると判定してもよい。また、ステップS103では、内燃機関の始動時であるか否か判定してもよい。
そして、ステップS103で肯定判定がなされた場合にはステップS104へ進み、否定判定がなされた場合にはHC濃度を低下させる必要はないため本ルーチンを終了させる。
ステップS104では、ステップS102で得られる検出電流が閾値IHCよりも大きいか否か判定される。本ステップでは、HC濃度を低下させる必要があるか否か判定される。閾値IHCは、HC濃度が許容範囲の上限値となっているときの検出電流である。この閾値IHCは、予め実験等により求めて制御装置7に記憶させておく。なお、本実施例においては閾値IHCが、本発明における第1閾値に相当する。
そして、ステップS104で肯定判定がなされた場合にはステップS105へ進み、否定判定がなされた場合にはHC濃度を低下させる必要はないため本ルーチンを終了させる。なお、ステップS104では、検出電流に基づいた判定を行っているが、検出電流とHC濃度とは相関関係にあるため、検出電流からHC濃度を算出し、該HC濃度が許容範囲を超えたか否か判定してもよい。検出電流とHC濃度との関係を予め実験等により求めて制御装置7へ記憶させておけば、検出電流からHC濃度を算出することができる。すなわち、本実施例においてはステップS104を処理する制御装置7が、本発明における推定装置に相当する。
ステップS105では、点火時期が遅角される。このときの遅角量は、予め設定されている値を用いることができる。また、検出電流が大きいほど、すなわち、HC濃度が高くなるほど、点火時期の遅角量を大きくしてもよい。すなわち、HC濃度が高くなるほどイオン電流が大きくなるため、検出電流が大きくなる。HC濃度が高いときには、点火時期の遅角量をより大きくすることで、HC濃度を低減させる。検出電流と点火時期の遅角量との関係は予め実験等により求めてマップ化しておいてもよい。
ステップS106では、検出電流が閾値IHC以下であるか否か判定される。すなわち、点火時期の遅角量を大きくしたことによりHC濃度が許容範囲まで低下したか否か判定される。
ステップS106で肯定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させ、否定判定がなされた場合にはステップS105へ戻り点火時期が再度遅角される。
このように、検出電流を用いて排気中のHC濃度を推定することができる。そして、検出電流またはHC濃度に基づいて点火時期の遅角量をフィードバック制御することで、排気中のHC濃度を低下させることができる。ここで、燃料の種類によってHC濃度が変化し得るが、いずれの燃料を用いた場合であっても、排出されるHC濃度が閾値以下となるように制御することができる。
(実施例2)
本実施例においては、排気中のHC濃度が閾値以下となった後に、PM低減処理または電極5の再生処理を行う。その他の装置などは実施例1と同じため説明を省略する。
本実施例においては、排気中のHC濃度が閾値以下となった後に、PM低減処理または電極5の再生処理を行う。その他の装置などは実施例1と同じため説明を省略する。
ここで、PM低減処理とは、PMの凝集に適した電圧を印加するための処理である。ここで、電極5に印加する負の電圧を大きくすると、電極5からより多くの電子が放出される。このため、PMの凝集を促進させることができるので、PMの粒子数をより減少させることができる。しかし、電極5への印加電圧を大きくし過ぎると、コロナ放電やアーク放電などの強い放電が起こり得る。このような強い放電が起こると、高速電子によりPMが微細化されてしまう。したがって、PMの凝集を促進させるためには、コロナ放電などの強い放電が起こるよりも低い電圧に調節するとよい。すなわち、コロナ放電などの強い放電が発生していなくても、PMを凝集させることはできる。
一方、印加電圧が比較的大きくなると、検出装置9により検出される電流が大きくなると共に、パルス電流が発生する。そして、印加電圧が大きくなるほど、パルス電流が発生する頻度が高くなる。このパルス電流は、コロナ放電などの強い放電により発生する。
そこで本実施例では、パルス電流が発生したときに印加電圧を小さくする。これにより、パルス電流が発生することを抑制し、PMの粒子数が増加することを抑制する。一方、パルス電流が発生するまでは、印加電圧を大きくする。これにより、印加電圧を可及的に高くすることができるため、PMの凝集をより促進させることができる。なお、パルス電流が発生する前に、パルス電流が発生する予兆を電流から読み取って、パルス電流が発生する前に印加電圧を小さくしてもよい。
また、電極5の再生処理とは、碍子部51を含む電極5に付着しているPMや水などの付着物を除去するための処理である。電極5にPMなどが付着すると、この付着物を介して電極5とハウジング3との間に電気が流れる。すなわち、絶縁性が低下する。そうすると、排気中に浮遊しているPMを帯電させることが困難となるため、PMを凝集させることが困難となる。
そこで、本実施例では、電極5とハウジング3との間に付着物を介して電気が流れているか否か判定し、電気が流れていると判定された場合には電極5の再生処理を実行する。電極5の再生は、たとえば電極5の温度を上昇させたり、排気中の酸素濃度を高くしたりして行われる。
たとえば、電極5を短絡させつつ電源6から電圧を印加することにより電極5の再生処理を行う。電極5を短絡させることにより、該電極5の温度を上昇させて付着物を燃焼または蒸発させて除去することができる。また、PMを速やかに酸化させるためには、排気中の酸素濃度が高いほうがよい。このため、電極5に電圧を印加しつつ、排気中の酸素濃度が高くなるようにしてもよい。たとえば、車両の駆動源として内燃機関及びモータを備えるハイブリッド車においては、内燃機関に燃料を供給せずにモータにより内燃機関のクランク軸を回転させることができる。これにより、内燃機関から空気を排出することができるため、排気中の酸素濃度を高めることができる。また、内燃機関を停止させる前に機関回転数を一旦上昇させ、該機関回転数が高い状態のときに燃料の供給を停止することで、排気通路内に空気を排出させることができる。そして、その後に内燃機関が停止したときに電極5を短絡させるか、または印加電圧を高くすればよい。また、減速運転中のフューエルカット時には、排気中の酸素濃度が高くなるため、このときに電極5を短絡させるか、または印加電圧を高くしてもよい。
なお、付着物を介して電極5とハウジング3との間に電気が流れているか否かを、検出装置9により検出される電流に基づいて判定する。電極5とハウジング3との間に付着物を介して電気が流れていないときには、排気中に浮遊するPM量に応じて電流が変化する。したがって、排気中のPM量を推定し、該推定されるPM量に応じた電流が検出されれば、電極5とハウジング3との間に付着物を介して電気が流れていないと判定できる。
一方、電極5とハウジング3との間に付着物を介して電気が流れているときには、検出装置9により検出される電流がより大きくなる。すなわち、推定される排気中のPM量に応じた電流(以下、推定電流ともいう。)よりも、検出される電流(以下、検出電流ともいう。)のほうが大きくなる。そうすると、推定電流に基づいて閾値を設定すれば、該閾値と検出電流とを比較することで、付着物を介して電極5とハウジング3との間に電気が流れているか否か判定することができる。なお、閾値は、推定電流に各種センサなどの公差や誤差を考慮して余裕を持たせた値とする。推定電流に所定値を加算しても良いし、推定電流に所定値を乗算してもよい。
そうすると、検出電流のほうが閾値よりも大きければ、電極5とハウジング3との間に付着物を介して電気が流れていると判定できる。なお、排気中のPM量は、内燃機関の運転状態に応じて変化するため、たとえば該内燃機関の運転状態に応じて算出される。また、PM量を検出するセンサを備えて、該センサにより排気中のPM量を得てもよい。また、所定の運転状態(たとえばアイドル運転状態)のときの閾値を予め実験等により求めておき、該所定の運転状態のときに電極5の再生処理が必要か否か判定してもよい。また、検出電流と比較する閾値を予め決定しておいてもよい。この場合、運転状態に応じて閾値を変更してもよい。
図4は、本実施例に係る制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置7により所定の時間毎に繰り返し実行される。なお、図3に示したフローと同じ処理がなされるステップについては同じ符号を付して説明を省略する。ステップS103若しくは104で否定判定がなされた場合、またはステップS106で肯定判定がなされた場合にステップS201へ進む。
なお、ステップS103において始動直後であると判定された場合には、印加電圧をステップS101で算出される印加電圧よりも低くしても良い。そうすると、イオン電流による電源6などの劣化を抑制できる。そして、検出電流を再度取得しても良い。
ステップS201では、内燃機関の始動からの経過時間が所定時間Aよりも長く、且つ、検出電流が閾値IHC2よりも小さいか否か判定される。本ステップでは、この後にHC濃度が上昇する虞があるか否か判定している。すなわち、内燃機関の始動からの経過時間が短いと、燃焼状態が安定していないため、一度HC濃度が低下しても、再度HC濃度が上昇する虞がある。
また、検出電流が閾値IHC以下であっても、排気中にHCが含まれていると、検出電流に影響を与えてしまう。この検出電流は、PM低減処理を実施するときや、電極5の再生処理を実施するときにも用いられる。そして、HCに起因したイオン電流が検出電流に含まれていると、これらの処理が困難となる。したがって、検出電流が十分に低下したか否か判定する。
内燃機関の始動からの経過時間は、たとえば、内燃機関を始動させる処理が開始された時点からの経過時間、または機関回転数がアイドル回転まで上昇した時点からの経過時間としてもよい。いずれの経過時間を採用するのかにより、所定時間Aも異なる。所定時間Aは、内燃機関から排出されるHC量が十分に低下するのに要する時間として予め実験等により求めておく。閾値IHC2は、内燃機関から排出されるHC量が、電極5の再生が必要か否かの判定またはPM低減処理を行うことができるほど小さくなったときに検出される電流として予め実験等により求めておく。なお、本実施例においてはステップS201を処理する制御装置7が、本発明における禁止装置に相当する。また、本実施例においては閾値IHC2が、本発明における第2閾値または第3閾値に相当する。
ステップS201で肯定判定がなされた場合にはステップS202へ進み、否定判定がなされた場合にはステップS201を再度実行する。
ステップS202では、PM低減処理が行われる。本ステップでは、PMの凝集に最適となる印加電圧が算出される。PM低減処理については後述する。
次に、ステップS203では、電極5の再生処理が行われる。電極5の再生処理については後述する。
次に、PM低減処理について説明する。図5は、本実施例に係るPM低減処理の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置7により所定の時間毎に繰り返し実行される。
ステップS301からS303において、PM粒子数(個/cm3)を算出している。PM粒子数は、一立方センチメートルあたりのPM粒子の数である。このPM粒子数は、内燃機関から排出されるPM粒子数であり、ハウジング3に流入する前のPM粒子数である。PM粒子数は、機関回転数、機関負荷、及び内燃機関の温度(たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度)と相関関係にあるため、これらの値に基づいて算出する。
このため、ステップS301では、機関回転数及び機関負荷が取得される。機関回転数は、クランクポジションセンサ72により検出され、機関負荷は、アクセル開度センサ71により検出される。また、ステップS302では、内燃機関の温度が取得される。内燃機関の温度は温度センサ73により検出される。
ステップS303では、PM粒子数が算出される。ここで、図6は、機関回転数と機関負荷とから、PM粒子数を算出するためのマップの一例を示した図である。この関係は、内燃機関の温度に応じて制御装置7が複数記憶している。そして、検出された内燃機関の温度に応じたマップを用いて機関回転数及び機関負荷からPM粒子数を求める。このマップは、予め実験等により求められる。なお、このようなマップを用いてPM粒子数を検出してもよいが、PM粒子数を検出するセンサをハウジング3よりも上流側の排気通路2に取り付けて、該センサによりPM粒子数を検出してもよい。
そして、ステップS304では、ステップS303で算出されるPM粒子数に基づいて電極5への印加電圧が算出される。この印加電圧は、電極5へ最初に印加する電圧である。そして、ステップS304で算出される印加電圧を初期値として、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧が最も大きくなるようにフィードバック制御を行う。すなわち、本ステップでは、パルス電流が発生しない範囲で最も大きな印加電圧に到達するまでの時間を短縮するために印加電圧の初期値を設定している。印加電圧の初期値は図7に基づいて設定される。
図7は、内燃機関からの排出ガス量(g/sec)とPM粒子数(×105個/cm3)とから、印加電圧(V)を算出するためのマップの一例を示した図である。このマップは、予め実験等により求められる。内燃機関からの排出ガス量は、内燃機関の吸入空気量と相関関係にあるため、エアフローメータ74により検出される吸入空気量に基づいて求めることができる。
ここで、排出ガス量が少ないほど、PMの慣性力が小さくなるため、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このため、PMが凝集しやすくなる。したがって、排出ガス量が少ないほど、より小さな印加電圧でPMが凝集する。このため、排出ガス量が少ないほど、印加電圧を小さくする。また、PM粒子数が多いほど、PM粒子間の距離が短くなるために、相対的に静電作用の影響が大きくなる。このためPM粒子数が多いほど、より小さな印加電圧でPMが凝集する。このため、PM粒子数が多いほど、印加電圧を小さくする。
なお、印加電圧の初期値は、たとえば、PM粒子数の低減率が所定値(たとえば40%)となるような値としてもよい。また、印加電圧の初期値を予め定めておいた規定値としてもよい。この規定値は、パルス電流が発生しないように余裕を持たせた値とすることができる。
そして、印加電圧が算出された後、ステップS305へ進み、電流が取得される。この電流は、検出装置9により検出される値である。
そして、ステップS306では、電流の高周波成分が存在するか否か判定される。パルス電流は、電流の高周波成分として抽出可能である。そこで、検出装置9により検出される電流をハイパスフィルタに通して、高周波成分を抽出する。このように、ハイパスフィルタを通したことにより高周波成分が抽出された場合に、高周波成分が存在すると判定される。
なお、電流の高周波成分が存在するか否かは、電流の標準偏差が所定値よりも大きいか否かに基づいて判定することもできる。ここで、n回検出される電流の標準偏差Sを以下の式により算出する。
ただし、Imは検出電流、Iaveは検出電流の平均値である。
算出された標準偏差Sが所定値Smaxよりも大きいか否か判定し、大きな場合には高周波成分が存在すると判定する。所定値Smaxは、高周波成分の有無を判定するための固定値であり、予め実験等により求めておく。また、たとえば、検出電流の上昇率が閾値以上で且つ上昇量が閾値以上の場合に、高周波成分が存在すると判定することもできる。そして、ステップS306で肯定判定がなされた場合には、ステップS307へ進む。
ステップS307では、パルス電流の発生を抑制するために、印加電圧が減少される。印加電圧を減少する量は、予め実験等により最適値を求めておいてもよい。
そして、ステップS308では、高周波成分が存在しないか否か判定される。すなわち、印加電圧が減少したことによりパルス電流が発生しなくなったか否か判定している。この判定は、ステップS306と同様に行う。ステップS308で肯定判定がなされた場合には、本ルーチンを終了させる。一方、ステップS308で否定判定がなされた場合には、ステップS307へ戻り、印加電圧が再度減少される。このように、パルス電流が発生しなくなるまで印加電圧が減少される。
一方、ステップS306で否定判定がなされた場合には、ステップS309へ進む。
ステップS309では、印加電圧が増加される。これにより、PMの凝集を促進させる。印加電圧を増加する量は、予め実験等により最適値を求めておいてもよい。
そして、ステップS310では、高周波成分が存在するか否か判定される。すなわち、印加電圧が増加したことによりパルス電流が発生したか否か判定している。この判定は、ステップS306と同様に行う。ステップS310で肯定判定がなされた場合には、パルス電流の発生を抑制するためにステップS307へ進む。一方、ステップS310で否定判定がなされた場合には、ステップS309へ戻り、印加電圧が再度増加される。このようにして、パルス電流が発生するまで印加電圧が増加される。
このように、印加電圧をフィードバック制御することで、パルス電流が発生しない範囲で印加電圧を可及的に高くすることができる。これにより、PMの凝集をより促進させることができるため、PM粒子数をより減少させることができる。
次に、電極5の再生処理について説明する。図8は、本実施例に係る電極5の再生処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置7により実行される。たとえば、車両が所定の距離を走行する毎に実行してもよい。また、1回の走行毎に実行してもよい。
ステップS401では、検出電流I1が取得される。すなわち、電極5に対して電圧を印加したときに、検出装置9により実際に検出される電流が取得される。
ステップS402では、推定電流I2が算出される。すなわち、電極5に付着物が存在しないと仮定したときに検出装置9により検出されると推定される電流が算出される。
たとえば、機関回転数及び機関負荷と、排気中のPM量とは相関関係にある。そして、排気中のPM量と、推定電流I2と、にも相関関係がある。したがって、機関回転数及び機関負荷から、推定電流I2を算出することができる。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、制御装置7に記憶させておく。
また、排気中のPM量を検出するセンサを設け、該センサにより得られるPM量に基づいて推定電流I2を算出することもできる。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、制御装置7に記憶させておく。
ステップS403では、ステップS401で得られる検出電流I1が、ステップS402で得られる推定電流I2に所定値Bを加えた値よりも大きいか否か判定される。ここで、推定電流I2に所定値Bを加えた値が閾値に相当する。所定値Bは、推定電流に各種センサなどの公差や誤差を考慮して余裕を持たせるために設定される。この所定値Bは、予め実験等により得ることができる。そして、本ステップでは、電極5の再生が必要であるか否か判定している。検出電流I1が推定電流I2の近傍であれば、電極5の絶縁は確保されていると判定することができる。
ステップS403で肯定判定がなされた場合にはステップS404へ進み、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。なお、本実施例においてはステップS403を処理する制御装置7が、本発明における判定装置に相当する。
ステップS404では、電極5の再生処理が実行される。すなわち、電極5に電圧を印加しつつ、電極5を短絡させるか又は排気中の酸素濃度を積極的に高くする。このようにして、電極5の付着物が除去される。その後、ステップS403へ戻る。なお、本実施例においてはステップS404を処理する制御装置7が、本発明における再生装置に相当する。
このように、検出電流I1と推定電流I2とに基づいて、電極5の絶縁性の低下を判定できる。そして、電極5の絶縁性が低下したと判定された場合には、電極5の再生処理が行われる。
以上説明したように本実施例によれば、排気中のHC濃度を速やかに低下させた後に、PM低減処理を行うため、検出電流にHCの影響がないときに印加電圧を調整することができる。これにより、印加電圧をより適正な値に合わせることができる。また、排気中のHC濃度を速やかに低下させた後に、電極5に再生が必要か否か判定しているため、検出電流にHCの影響がないときに判定をすることができる。これにより、判定精度を高めることができる。
(実施例3)
本実施例においては、排気中のHC濃度が高いと推定される場合には、検出電流がHCによるイオン電流であるとして、電極5の再生処理、または、PM低減処理を禁止する。その他の装置などは実施例1,2と同じため説明を省略する。
本実施例においては、排気中のHC濃度が高いと推定される場合には、検出電流がHCによるイオン電流であるとして、電極5の再生処理、または、PM低減処理を禁止する。その他の装置などは実施例1,2と同じため説明を省略する。
ここで、上述のように、検出電流から排気中のHC濃度を推定することができる。また、内燃機関の運転状態などから、排気中のHC濃度はある程度推定可能である。したがって、HCによるイオン電流が生じているか否かを、検出電流または内燃機関の運転状態から推定することができる。また、ハウジング3よりも上流側にHC濃度を検出するHCセンサを取り付けることにより、該ハウジング3に流入するHCを検出することもできる。
排気中のHC濃度が高いときには、イオン電流が大きくなるため、検出電流がイオン電流の影響を大きく受ける。電極5を再生するか否かは、前記ステップS403で説明したように、検出電流I1が、推定電流I2に所定値Bを加えた値よりも大きいか否かに基づいて判定される。すなわち、電極5の付着物を介して電気が流れている場合には、推定電流よりも検出電流が大きくなるため、推定電流よりも検出電流に基づいた判定が可能となる。しかし、HCによるイオン電流が生じた場合にも、検出電流が大きくなる。このため、HCによるイオン電流が生じているときに、電極5の再生が必要か否かを判定すると、判定を誤る虞がある。このため、排気中のHC濃度が高いときには、電極5を再生するか否かの判定を禁止する。したがって、電極5の再生処理を行わない。
また、PMの低減処理において、PMの凝集を促進させるために最適となる印加電圧を算出するときにも、検出電流が用いられる。したがって、HCの影響を受けて検出電流が大きくなると、最適な印加電圧を算出することが困難となる虞がある。このため、排気中のHC濃度が高いときには、PM低減処理を禁止する。すなわち、印加電圧を算出したり印加電圧を調整したりする処理を禁止する。
図9は、本実施例に係る制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、制御装置7により所定の時間毎に繰り返し実行される。
まず、排気中のHC濃度が推定される。このため、HC濃度と相関関係にある内燃機関の温度(たとえば、潤滑油の温度または冷却水の温度)及び環境温度(例えば大気温度または吸入空気温度)が取得される。
すなわち、ステップS501では、内燃機関の温度が取得される。そして、ステップS502では、環境温度が取得される。たとえば、大気温度を検出するセンサを設けておき、該センサに基づいて環境温度を取得する。
ステップS503では、HC濃度が推定される。内燃機関の温度及び環境温度と、HC濃度との関係は予め実験等により求めてマップ化しておき、制御装置7に記憶させておいてもよい。また、本実施例ではHC濃度を検出するセンサをハウジング3よりも上流側または下流側に備えておき、該センサによりHC濃度を検出してもよい。また、検出電流からHC濃度を推定することもできる。
ステップS504では、ステップS503において推定されるHC濃度が閾値Cよりも高いか否か判定される。閾値Cは、電極5の再生が必要であるか否かの判定を正確に行うことができるHC濃度の上限値、または、印加電圧の算出を正確に行うことができるHC濃度の上限値、もしくは印加電圧の制御を正確に行うことができるHC濃度の上限値として予め実験等により求めておく。すなわち、本ステップでは、電極5の再生が必要であるか否かの判定を正確に行うことができるか、または、印加電圧の算出もしくは印加電圧の制御を正確に行うことができるか否か判定している。
ステップS504で肯定判定がなされた場合にはステップS505へ進み、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
ステップS505では、電極5の再生が必要であるか否かの判定、及び、印加電圧の算出、印加電圧の制御を禁止する禁止処理が実行される。
以上説明したように本実施例によれば、排気中のHC濃度が高いためにイオン電流が大きいと判定されたときには、検出電流を用いた処理を禁止する。これにより、電極5の再生が必要でないにもかかわらず、電極5の再生が行われることを抑制できる。また、電極5に電圧を印加する必要がなくなるため、回路を遮断することができるので、イオン電流の影響で電源6などが劣化することを抑制できる。
1 粒子状物質処理装置
2 排気通路
3 ハウジング
4 絶縁部
5 電極
6 電源
7 制御装置
8 バッテリ
9 検出装置
21 フランジ
31 フランジ
51 碍子部
52 電源側電線
53 接地側電線
75 点火プラグ
2 排気通路
3 ハウジング
4 絶縁部
5 電極
6 電源
7 制御装置
8 バッテリ
9 検出装置
21 フランジ
31 フランジ
51 碍子部
52 電源側電線
53 接地側電線
75 点火プラグ
Claims (5)
- 電極が設置される処理部を内燃機関の排気通路に備え、電極と処理部とに電位差を生じさせることでPMを凝集させる粒子状物質処理装置において、
前記電極に接続され電圧を印加する電源と、
前記処理部と前記排気通路との間で電気を絶縁する絶縁部と、
前記処理部を接地させる接地部と、
前記接地部において電流を検出する検出装置と、
内燃機関の始動開始から所定期間において、前記電源により前記電極に電圧を印加したときに前記検出装置により検出される電流に基づいて排気中のHC濃度を推定する推定装置と、
を備える粒子状物質処理装置。 - 前記検出装置により検出される電流が、第1閾値よりも大きな場合には、該第1閾値以下の場合よりも、前記内燃機関の点火時期を遅角させる制御装置を備える請求項1に記載の粒子状物質処理装置。
- 前記制御装置は、前記検出装置により検出される電流が大きいほど、前記内燃機関の点火時期の遅角量を大きくする請求項2に記載の粒子状物質処理装置。
- 内燃機関の始動開始から所定期間よりも後の場合において、前記検出装置により検出される電流が第2閾値以下の場合に、粒子状物質を凝集させる処理を実行する請求項1から3の何れか1項に記載の粒子状物質処理装置。
- 前記電極の再生を行う再生装置と、
前記検出装置により検出される電流に基づいて、前記再生装置による電極の再生を行うか否か判定する判定装置と、
内燃機関の始動開始から所定期間よりも後の場合において、前記検出装置により検出される電流が第3閾値よりも大きな場合に前記判定装置による判定を禁止する禁止装置と、
を備える請求項1から4の何れか1項に記載の粒子状物質処理装置。
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