JP5736966B2 - Ｄｐｆ再生終了時期判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＰＦ再生の終了時期を正確に判定できるＤＰＦ再生終了時期判定装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関が搭載された車両では、内燃機関から大気までの排ガスの排出流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）が設置され、このＤＰＦに粒子状物質（Particulate Matter；以下、ＰＭという）が捕集される。ＤＰＦは、多孔質セラミックからなるハニカム細孔状のフィルタにＰＭを一時的に捕集する部材である。

ＤＰＦに捕集されているＰＭの量（以下、ＰＭ堆積量という）が多くなると内燃機関の排気圧力が上昇し内燃機関の特性低下をきたすため、捕集されているＰＭを燃焼させる処理が行われる。この処理をＤＰＦ再生という。ＤＰＦ再生時には、排気温度を上昇させるための燃料噴射が行われる。排気温度が上昇すると、ＤＰＦが昇温され、ＤＰＦに捕集されているＰＭが燃焼する。

ＤＰＦ再生開始の時期は、ＤＰＦの上流と下流の圧力差を検出して判定したり、ＤＰＦに設置した２つの電極間で静電容量を検出して判定することが知られている。すなわち、ＤＰＦのＰＭ堆積量が増えてくると、排ガスの流れが阻止されてＤＰＦの上流と下流の圧力差が大きくなるので、圧力差にしきい値を設定しておくことで判定が可能である。また、ＰＭが誘電体と導体の混合物であることから、ＤＰＦに設置した２つの電極間の静電容量がＤＰＦ全体のＰＭ堆積量に比例するので、静電容量から推定されるＰＭ堆積量にしきい値を設定しておくことで判定が可能である。

特開２０１０−２７４７５６号公報 特開２０１０−２８５９５８号公報

前述のように、ＤＰＦ再生開始の時期は判定が可能である。しかしながら、ＤＰＦ再生終了の時期は判定が困難である。

ＤＰＦの上流と下流の圧力差は、排ガス流量の影響を受けるため、正確に検出することが難しい。再生開始時期の場合、圧力差が大きくなっているので、排ガス流量の影響が相対的に小さく、圧力差を正確に検出することができた。これに対し、再生終了時期の場合、圧力差が小さくなっていくので、排ガス流量の影響が相対的に大きくなり、圧力差を正確に検出するのは容易でない。このため、再生終了時期は正確な判定が困難となる。

再生終了時期の判定が正確でなく、再生が未完了のままで再生終了してしまうと、未燃焼のＰＭが残るので、その次の再生開始時期が早く来ることになり、ＤＰＦ再生の頻度が高くなって燃費が悪化する。逆に、実際には再生が完了してＰＭが残っていないのに再生が継続されてしまうと、燃料が余分に噴射されることになり、やはり燃費が悪化する。

静電容量からＰＭ堆積量を推定して判定する方式でも、再生が進んでＰＭが減少していくと、ＰＭ堆積量が微小になっていくので、ノイズ成分が相対的に大きくなり、再生終了時期を正確に判定しにくくなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦ再生の終了時期を正確に判定できるＤＰＦ再生終了時期判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のＤＰＦ再生終了時期判定装置は、内燃機関から大気までの排ガスの排出流路に挿入されたＤＰＦの再生終了時期を判定するＤＰＦ再生終了時期判定装置において、前記ＤＰＦ内に、温度が再生温度となる限界である再生限界面に交差する仮想的な面に沿わせて再生限界面の内側から外側にかけて配置され、互いに対向する第一電極及び第二電極と、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量を検出する静電容量検出回路と、前記静電容量検出回路が検出した静電容量が減少から安定に転じたとき、再生終了時期であると判定する判定回路とを備えたものである。

前記第一電極と前記第二電極が複数箇所に配置されてもよい。

前記仮想的な面に沿って２列に位置する複数のセルにそれぞれ金属線が挿入され、一方の列の金属線同士が短絡されることにより、前記第一電極が構成され、他方の列の金属線同士が短絡されることにより、前記第二電極が構成されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＤＰＦ再生の終了時期を正確に判定できる。

本発明の一実施形態を示すＤＰＦ再生終了時期判定装置が取り付けられたＤＰＦの端面図である。 図１のＤＰＦの斜視図である。 本発明が適用されるＤＰＦの部分端面図である。 本発明が適用されるＤＰＦの部分側断面図である。 図１のＤＰＦの部分端面図である。 図１のＤＰＦの部分端面図である。 本発明のＤＰＦ再生終了時期判定装置における時間経過に対する静電容量変化の特性図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２に示されるように、本発明に係るＤＰＦ再生終了時期判定装置１は、ＤＰＦ２内に、温度が再生温度となる限界である再生限界面３に交差する仮想的な面（以下、仮想交差面）４に沿わせて再生限界面３の内側から外側にかけて配置され、互いに対向する第一電極５及び第二電極６と、第一電極５と第二電極６間の静電容量を検出する静電容量検出回路７と、静電容量検出回路７が検出した静電容量が減少から安定に転じたとき、再生終了時期であると判定する判定回路８とを備える。

ここで、再生限界面３について説明する。ＤＰＦ再生時の燃料噴射によって排気温度が上昇すると、ＤＰＦ２の中心軸付近の温度がまず上昇し、その周囲の温度が上昇していく。これにより、ＤＰＦ２の中心軸付近からＰＭの燃焼が始まり、次第に内周部から外周部に向かって燃焼が拡がっていく。しかし、ＤＰＦ２の外周部は金属製のハウジング（図示せず）を介して大気に放熱する。このため、ＤＰＦ２の外周部は温度が上昇しにくく、ＤＰＦ２の内周部の温度が再生温度である８００℃（あるいは９００℃ともいわれる）以上に達していても、外周部の温度は再生温度未満となる。ＤＰＦ再生時に温度が再生温度未満となる領域では、堆積されたＰＭが燃焼することがない。よって、この領域では、ＤＰＦ再生を経てもＰＭが堆積した状態が持続することになる。この領域を再生不能領域と呼ぶ。一方、ＤＰＦ再生時に温度が再生温度以上となる領域は再生可能領域であり、ＰＭの堆積と燃焼除去が繰り返される。再生可能領域と再生不能領域の境界、すなわち温度が再生温度となる限界を再生限界面３という。

なお、仮に、ＤＰＦ２が最外周まで再生温度以上になってしまうと、ハウジング及び周辺部品の許容温度を超えてしまう。実際には、ハウジングが赤熱に至ることはないが、それは、ＤＰＦ２の外周部に形成される再生不能領域がハウジングを熱から保護する断熱層の役割を果たしているからと考えられる。

本実施形態では、ＤＰＦ２が円柱状に形成され、再生限界面３は、ＤＰＦ２と同心の円筒状となる。再生限界面３がＤＰＦ２の最外周からどのくらいの距離になるかは、ＤＰＦ２の仕様、あるいは内燃機関や排ガス排出流路の仕様ごとに異なるので、実験により測定するとよい。

再生限界面３が円筒面であるので、再生限界面３に交差する仮想交差面４は、図１のように端面視で中心から放射状に伸びる線で表される。仮想交差面４を挟むようにして第一電極５と第二電極６が配置される。

本実施形態では、第一電極５と第二電極６は、複数箇所に配置される。すなわち、円周角４５ー間隔で８箇所に第一電極５と第二電極６が配置される。

第一電極５及び第二電極６のさらなる詳細を説明する前に、ＤＰＦ２のハニカム構造とＰＭ捕集機能について説明しておく。

図３に示されるように、ＤＰＦ２は、多孔質材料からなる壁９で縦横の四面が囲まれた複数のセル１０が縦横に積層されセル１０の端面が縦横に交互に目封じされてなる。図では、目封じをハッチングで示す。目封じされたセル１０を目封じセル１０ａ、目封じされないセルを開放セル１０ｂという。図示のように、目封じセル１０ａの両縦隣及び両横隣は開放セル１０ｂであり、開放セル１０ｂの両縦隣及び両横隣は目封じセル１０ａである。なお、セル１０の端面形状は、ここでは正方形としているが、長方形、平行四辺形など、連続的に並べることのできる形状であればよい。

片側端面と反対側端面とでは、目封じと開放とが逆転する。すなわち、１つのセル１０は、片側端面が目封じされていれば、反対側端面は必ず開放であり、片側端面が開放であれば、反対側端面は必ず目封じされている。従って、同じセル１０が片側から見れば目封じセル１０ａとなり、反対側から見れば開放セル１０ｂとなる。

図４に示されるように、ＤＰＦ２は、排ガスの排出流路に設置され、どちらかの端面が上流に望み、反対の端面が下流に望む。上流に望む面では、目封じセル１０ａには排ガスは流入せず、開放セル１０ｂのみに排ガスが流入する。排ガスが流入した開放セル１０ｂは、下流に望む反対側端面で目封じされて目封じセル１０ａとなっているため、排ガスは、多孔質材料からなる壁９を通り抜けて、隣の目封じセル１０ａに移動する。隣の目封じセル１０ａは、下流に望む反対側端面が開放されて開放セル１０ｂとなっているため、排ガスは、この開放セル１０ｂから流出する。このようにして、排ガスが壁９を通り抜けるときに、排ガス中のＰＭが多孔質材料からなる壁９に吸着される。図４では、１つの開放セル１０ｂに流入した排ガスが隣接する２つの目封じセル１０ａに移動するように示されているが、実際には１つの開放セル１０ｂに流入した排ガスが縦横に隣接する４つの目封じセル１０ａに移動するので、縦横４つの壁９にＰＭが吸着される。

本実施形態では、ＤＰＦ２が図３のようなハニカム細孔構造を有する。ＤＰＦ２の内部に互いに対向する２つの電極５、６を形成するために、セル１０に金属線が挿入される。具体的には、図５及び図６に示されるように、仮想交差面４に沿って２列に位置する複数の開放セル１０ｂにそれぞれ金属線（黒丸で示す）が挿入される。一方の列の開放セル１０ｂに挿入された金属線同士が短絡線１１で短絡されることにより、第一電極５が構成され、他方の列の開放セル１０ｂに挿入された金属線同士が短絡線１２で短絡されることにより、第二電極６が構成される。

金属線が開放セル１０ｂに端面から挿入される深さは、任意であるが、深く挿入するほど電極長さが長くなり、電極対向面積の増加に寄与する。従って、例えば、金属線は、開放セル１０ｂの反対側端面の目封じされている箇所近くまで届いているのが好ましい。金属線が挿入される端面は、排ガスの排出流路の上流に臨む端面でも、下流に臨む端面でもよいが、第一電極５の金属線と第二電極６の金属線は、同じ端面に挿入される。

図５に示されるように、縦方向に対して仮想交差面４が時計回り４５°で交差する場合は、時計回り４５°の対角方向二列に並ぶ複数の開放セル１０ｂに金属線が挿入される。図６に示されるように、縦方向に対して仮想交差面４が平行する場合は、縦方向二列に並ぶ複数の開放セル１０ｂに金属線が挿入される。図示しないが、横方向に対して仮想交差面４が平行する場合は、横方向二列に並ぶ複数の開放セル１０ｂに金属線が挿入される。また、図５と対称に縦方向に対して仮想交差面４が反時計回り４５°で交差する場合は、反時計回り４５°の対角方向二列に並ぶ複数の開放セル１０ｂに金属線が挿入される。これらにより、図１に示された８箇所の第一電極５及び第二電極６が実現される。なお、１つの列を形成する金属線の本数は、特に限定されない。

図５の場合、金属線が挿入された開放セル１０ｂの一列と別の一列との間隔（短絡線１１と短絡線１２の間隔）は、セル１０のピッチ（縦横幅）をｄとすると、√２ｄとなる。したがって、第一電極５と第二電極６により構成されるコンデンサは、電極間距離が√２ｄで、所定の電極対向面積を有する２枚の電極板からなる平行平板コンデンサと見なせる。

図６の場合、金属線が挿入された開放セル１０ｂの一列と別の一列との間隔（短絡線１１と短絡線１２の間隔）は、２ｄとなる。したがって、第一電極５と第二電極６により構成されるコンデンサは、電極間距離が２ｄで、所定の電極対向面積を有する２枚の電極板からなる平行平板コンデンサと見なせる。

図１に示されるように、静電容量検出回路７は、第一電極５と第二電極６間の静電容量を検出するようになっている。図示省略されているが、８箇所の第一電極５と第二電極６は、並列接続されて１つの静電容量検出回路７に接続されるか、あるいは８つの静電容量検出回路７にそれぞれ接続される。

判定回路８は、１つあるいは８つの静電容量検出回路７が検出した静電容量の信号を処理し、静電容量の変化を分析するようになっている。この分析に基づき、静電容量が減少から安定に転じたとき、再生終了時期であると判定することができる。判定回路８は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）に搭載するとよい。この場合、静電容量検出回路７の出力を適宜なインターバルでサンプリングして時系列を蓄積し、その時系列を処理することで変化を分析することになる。

以下、本発明のＤＰＦ再生終了時期判定装置１の動作を説明する。

内燃機関の運転が続くと、ＤＰＦ２では、図４で説明したように、各セル１０の壁９にＰＭが吸着され、ＰＭ堆積量が増加していく。第一電極５と第二電極６間のＰＭ堆積量が増加するので、第一電極５と第二電極６により構成されるコンデンサの静電容量が増大する。

その後、従来技術によりＤＰＦ再生開始の時期が判定され、ＤＰＦ再生が開始されると、燃料噴射によって排気温度が上昇する。ＤＰＦ２では、中心軸付近の温度がまず上昇し、その周囲の温度が上昇していく。再生温度以上となった場所では、ＰＭが燃焼するので、中心軸付近から外側に燃焼が拡がっていく。

燃焼が第一電極５及び第二電極６の最内周の位置を越えると、第一電極５と第二電極６間のＰＭが燃焼して減少するので、図７に示されるように、静電容量検出回路７が検出する静電容量が減少していく。さらに燃焼が進んで再生限界面３に達すると、再生限界面３より外側は再生不能領域であるので、ＰＭは燃焼しない。このため、これ以上時間が経過しても静電容量は変化しなくなる。

判定回路８は、静電容量検出回路７が検出した静電容量が減少から安定に転じたとき、再生終了時期であると判定することになる。例えば、単位時間当たりの静電容量減少値がしきい値より大きい状態が継続した後、しきい値より小さい状態に転じたとき（図７のグラフの屈曲部）、あるいは、単位時間当たりの静電容量減少値がしきい値より小さい状態が所定時間より長く継続したとき（図７のグラフの低い平坦部）、ＤＰＦ２での燃焼が再生限界面３に達し、これ以上燃料噴射を続けても効果がないので、再生終了時期であると判定する。

以上説明したように、本発明のＤＰＦ再生終了時期判定装置１によれば、互いに対向する第一電極５及び第二電極６が再生限界面３に交差する仮想交差面４に沿わせて再生限界面３の内側から外側にかけて配置されているため、ＤＰＦ再生時の燃焼が進行して再生限界面３に達したとき、静電容量が減少から安定に転じるので、再生終了時期が判定できる。図７に示したように、静電容量の変化は顕著に生じるので、再生終了時期が正確に判定できる。

第一電極５と第二電極６間の静電容量がＰＭ堆積量に比例するという原理に関しては、従来からある再生開始時期の判定に使用されるＰＭセンサと同じであるが、本発明のＤＰＦ再生終了時期判定装置１にあってはＰＭ堆積量の絶対量を検出するような精度は必要なく、静電容量が変化している様子が認識できればよい。したがって、静電容量検出回路７や判定回路８は、簡素な構成で実現することができる。

本実施形態では、図１のように第一電極５と第二電極６が円周角４５°間隔で８箇所に配置されたが、これに限らず、第一電極５と第二電極６は１箇所以上あれば十分である。また、仮想交差面４は無限本数定義できるので、第一電極５と第二電極６は９箇所以上に配置してもよい。

本実施形態では、図５のように、セル１０の縦横配列に対して仮想交差面４が対角線をなす場合と、図６のように、セル１０の縦横配列に対して仮想交差面４が直交、あるいは平行する場合を説明したが、セル１０の縦横配列に対する仮想交差面４の角度は任意に定義できる。この場合、金属線が挿入される開放セル１０ｂは、必ずしも一直線には並ばないが、再生限界面３の内側から外側にかかる第一電極５と第二電極６によりコンデンサが構成されることで本発明の目的が達成される。

本実施形態では、図５、図６のように、第一電極５の金属線が挿入される開放セル１０ｂに対して、第二電極６の金属線が挿入される開放セル１０ｂは、横方向に目封じセル１０ａを１個だけ挟んでいるが、横方向に目封じセル１０ａを２個と開放セル１０ｂを１個挟んでいるようにしてもよく、それ以上に電極間隔を広くしてもよい。

１ ＤＰＦ再生終了時期判定装置
２ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
３ 再生限界面
４ 仮想交差面
５ 第一電極
６ 第二電極
７ 静電容量検出回路
８ 判定回路
９ 壁
１０ セル
１０ａ 目封じセル
１０ｂ 開放セル
１１、１２ 短絡線

Claims (3)

1. 内燃機関から大気までの排ガスの排出流路に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）の再生終了時期を判定するＤＰＦ再生終了時期判定装置において、
   前記ＤＰＦ内に、温度が再生温度となる限界である再生限界面に交差する仮想的な面に沿わせて再生限界面の内側から外側にかけて配置され、互いに対向する第一電極及び第二電極と、
   前記第一電極と前記第二電極間の静電容量を検出する静電容量検出回路と、
   前記静電容量検出回路が検出した静電容量が減少から安定に転じたとき、再生終了時期であると判定する判定回路とを備えたことを特徴とするＤＰＦ再生終了時期判定装置。
2. 前記第一電極と前記第二電極が複数箇所に配置されたことを特徴とする請求項１記載のＤＰＦ再生終了時期判定装置。
3. 前記仮想的な面に沿って２列に位置する複数のセルにそれぞれ金属線が挿入され、一方の列の金属線同士が短絡されることにより、前記第一電極が構成され、他方の列の金属線同士が短絡されることにより、前記第二電極が構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のＤＰＦ再生終了時期判定装置。