JP6032053B2

JP6032053B2 - 排気系の状態検出装置及び制御装置

Info

Publication number: JP6032053B2
Application number: JP2013031168A
Authority: JP
Inventors: 充宏阿曽; 正内山; 正文野田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014159781A

Description

本発明は、排気系の状態検出装置及び制御装置に関する。

ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）を捕集するフィルタとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）が知られている。

ＤＰＦは、ＰＭ捕集量に限度があるため、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去する強制再生を行う必要がある。強制再生は、排気管内噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、酸化により発生する熱で排気ガス温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる（例えば、特許文献１参照）。

また、内燃機関の排気浄化装置として、排気ガス内に凝縮水が存在するか否かを検出可能な湿度センサを備えたものも知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

特開２０１１−２４７１４５号公報特開２００２−５１０００６号公報特開２００３−１９３８３０号公報

ところで、空燃比や窒素酸化物濃度を検出するために排気管に取付けられるセンサは、一般に作動温度領域まで昇温するために電気ヒータを備えているものもある。しかしながら、配管内に水分（凝縮水）が残っている状態で電気ヒータを作動させると、付着した水で素子割れを起こし故障となる。

オンボードで排気管内の湿度や凝縮水の有無を直接検知する手法はないため、一般的に排気管内に凝縮水が残っていない排気ガス温度、時間を実験的に予め確認／マッピングしておき、その結果に基づいて電気ヒータ作動を決定する手法が用いられている。

しかしながら、洪水などの災害で排気管内に浸水した場合は、凝縮水の残り方と規模が異なるため、上述のガス温度による推定では十分な精度で推定できない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、湿度センサを用いることなく排気系の湿度を効果的に検出することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の排気系の状態検出装置は、内燃機関の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの温度を検出する温度検出手段と、前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記フィルタの温度、前記フィルタの静電容量及び、前記フィルタ部に存在する水分子量の関係を予め求めた特性マップに基づいて、前記温度検出手段で検出される温度及び、前記静電容量検出手段で検出される静電容量に対応する水分子量を算出する湿度算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含むものであってもよい。

また、前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、前記フィルタを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されるものであってもよい。

また、前記第２のフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させてもよい。

また、本発明の制御装置は、前記状態検出装置と、排気系に設けられたセンサに内蔵の加熱用ヒータを制御するヒータ制御手段と、をさらに備え、前記ヒータ制御手段は、内燃機関の始動時に、前記湿度算出手段で算出される排気湿度が結露を示す所定の閾値以上の場合は、排気湿度が当該閾値よりも低くなるまで、前記加熱用ヒータの作動を保留することを特徴とする。

本発明の排気系の状態検出装置及び制御装置によれば、湿度センサを用いることなく、ＤＰＦを通過する排気ガスに含まれる水分子や、フィルタに吸着している水分子を効果的に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置及び制御装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置において、排気湿度の算出に用いられる特性マップを示す図である。本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置による制御内容を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る制御装置による制御内容を示すフローチャートである。他の実施形態に係る排気系の状態検出装置及び制御装置を示す模式的な全体構成図である。

以下、図１〜４に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置及び制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気ガスを大気に放出する排気通路１２が接続されている。さらに、排気通路１２には、排気上流側から順に、空燃比センサ３４、ＮＯｘセンサ３５、排気管内噴射装置１３、排気後処理装置１４、ＤＰＦ入口温度センサ３１、ＤＰＦ出口温度センサ３２が設けられている。

排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（ＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。

排気後処理装置１４は、ケース１４ａ内に排気上流側から順に酸化触媒１５、ＤＰＦ１６を配置して構成されている。

酸化触媒１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気ガスの温度を上昇させる。

ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質セラミックの隔壁で区画された多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気ガス中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭの堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射により酸化触媒１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。

また、本実施形態のＤＰＦ１６には、少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されてコンデンサを形成する一対の電極１７ａ，１７ｂが設けられている。これら一対の電極１７ａ，１７ｂは、それぞれＥＣＵ２０と電気的に接続されている。

ＤＰＦ入口温度センサ３１は、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの温度（以下、入口温度Ｔ_IN）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ３２は、ＤＰＦ１６から流出する排気ガスの温度（以下、出口温度Ｔ_OUT）を検出する。これら入口温度Ｔ_IN及び出口温度Ｔ_OUTは、電気的に接続されたＥＣＵ２０に出力される。

空燃比センサ３４は、エンジン１０から排出される排気ガス中の空燃比λを検出する。ＮＯｘセンサ３５は、エンジン１０から排出される排気ガス中の窒素化合物（ＮＯｘ）濃度を検出する。これら空燃比センサ３４及びＮＯｘセンサ３５には、何れも図示しない加熱用の電気ヒータが内蔵されている。

ＥＣＵ２０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ２０は、静電容量演算部２１と、ＰＭ堆積量推定部２２と、排気湿度算出部２３と、露点判定部２４と、電気ヒータ制御部２５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。なお、本実施形態において、静電容量演算部２１と一対の電極１７ａ，１７ｂとは、本発明の静電容量検出手段を構成する。

静電容量演算部２１は、一対の電極１７ａ，１７ｂ間の静電容量Ｃを演算する。静電容量Ｃは、電極１７ａ，１７ｂ間の媒体の誘電率ε、電極１７ａ，１７ｂの面積Ｓ、電極１７ａ，１７ｂ間の距離ｄとする以下の数式１の関係を基本として、ＰＭの堆積、温度の変化により誘電率εや距離ｄが変化する事に伴って変化する。

ＰＭ堆積量推定部２２は、ＤＰＦ入口温度センサ３１で検出される入口温度Ｔ_IN等と、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃとに基づいて、ＤＰＦ１６に捕集されたＰＭ堆積量ＰＭ_DEPを推定する。ＰＭ堆積量ＰＭ_DEPの推定には、予め実験により求めた近似式やマップ等を用いることができる。

排気湿度算出部２３は、静電容量演算部２１で演算される静電容量Ｃと、ＤＰＦ入口温度Ｔ_IN等とに基づいて、ＤＰＦ１６に流入する排気ガスの湿度（以下、排気湿度Ｈ_EG）を算出する。排気湿度算出部２３による排気湿度Ｈ_EGの具体的な算出を以下に詳述する。

ＥＣＵ２０には、予め実験等により排気ガス乾燥状態下でＰＭ堆積量と排気ガス温度とを変化させながら計測した複数の静電容量（以下、基準静電容量Ｃ₀）が記憶されている。さらに、ＥＣＵ２０には、予め実験等により求めた、静電容量偏差ΔＣ、ＤＰＦ平均温度Ｔ_AVE及び、排気湿度Ｈ_EGの関係を規定する三次元特性マップ（図２参照）が記憶されている。まず、排気湿度算出部２３は、静電容量演算部２１で演算される現在の静電容量（以下、実静電容量Ｃ_A）と、現在のＰＭ堆積量ＰＭ_DEP及びＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEに対応する基準静電容量Ｃ₀との偏差（静電容量偏差ΔＣ）を算出する。そして、排気湿度算出部２３は、算出した現在の静電容量偏差ΔＣとＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEとを三次元特性マップ（図２参照）に適用することで、現在の排気湿度Ｈ_EGを算出する。

なお、排気湿度Ｈ_EGの算出は、ＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEが１００℃前後よりも低い時に行われることが好ましい。また、排気湿度Ｈ_EGの算出に用いる温度は、必ずしもＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEである必要はなく、入口温度Ｔ_IN又は出口温度Ｔ_OUTの何れか一方を用いてもよい。また、洪水などの災害等で排気管内が浸水した場合や、凝縮水の蓄積でＤＰＦが吸水している場合には、水分子は液体で存在しているため、気体状態で存在している場合と比較して圧倒的に多く、ゆえに著しく高い静電容量Ｃの値として現れる。そのため、前回の運転終了時における静電容量Ｃの値と比較して、停車中の排気管への浸水や凝縮水の有無を検知してもよい。

露点判定部２４は、ＤＰＦ入口温度Ｔ_IN等が１００℃以下の場合に、排気湿度算出部２３で算出される排気湿度Ｈ_EGに基づいて、結露の有無を判定（以下、露点判定ともいう）を行う。ＥＣＵ２０には、結露の有無を示す湿度閾値Ｈ_DPが予め記憶されている。露点判定部２４は、ＤＰＦ入口温度Ｔ_IN等が１００℃以下の状態で、算出される排気湿度Ｈ_EGが湿度閾値Ｈ_DP以上の場合に、フィルタが湿っている（又は結露を有り）と判定する。なお、露点以下（Ｈ_EGがＨ_DP以下）であっても、排気ガスの湿度が高湿である場合、Ｈ₀として高湿を定義し、排気湿度Ｈ_EGの高湿状態を判定してもよい。

電気ヒータ制御部２５は、露点判定部２４の露点判定に基づいて、空燃比センサ３４及びＮＯｘセンサ３５に内蔵された図示しない電気ヒータの作動を制御する。例えば、結露により被水した空燃比センサ３４やＮＯｘセンサ３５を電気ヒータで加熱すると、素子割れを引き起こす虞がある。電気ヒータ制御部２５は、この素子割れを防ぐために、エンジン１０の始動時に排気湿度Ｈ_EGが湿度閾値Ｈ_DP以上の場合は、排気湿度Ｈ_EGが湿度閾値Ｈ_DPよりも低くなるまで、電気ヒータの作動を保留するように構成されている。

次に、図３，４に基づいて、本実施形態の排気系の状態検出装置及び制御装置による制御フローを説明する。まず、図３に示す排気系の状態検出装置による制御フローから説明する。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＤＰＦ入口温度Ｔ_IN等が、１００℃以下にあるか否かが判定される。ＤＰＦ入口温度Ｔ_IN等が１００℃以下の場合、本制御はＳ１１０に進む。

Ｓ１１０では、現在の実静電容量Ｃ_Aが演算されると共に、現在のＰＭ堆積量ＰＭ_DEP及びＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEが算出される。さらに、Ｓ１２０では、Ｓ１１０で算出したＰＭ堆積量ＰＭ_DEP及びＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEに対応する基準静電容量Ｃ₀が読み取られる。

Ｓ１３０では、Ｓ１１０で演算した実静電容量Ｃ_Aと、Ｓ１２０で読み取った基準静電容量Ｃ₀との偏差、すなわち静電容量偏差ΔＣが算出される。その後、Ｓ１４０では、Ｓ１３０で算出した静電容量偏差ΔＣ及び、Ｓ１１０で算出したＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEを三次元特性マップ（図２参照）に適用して排気湿度Ｈ_EGが算出される。

次に、図４に基づいて、本実施形態の制御装置による制御フローを説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションキーＯＮ）と同時にスタートする。また、Ｓ２００〜Ｓ２４０までの各ステップは、図３に示すＳ１００〜１４０と同一制御になるため、詳細な説明を省略する。

Ｓ２５０では、Ｓ２４０で算出した排気湿度Ｈ_EGが結露を示す湿度閾値Ｈ_DP以上にあるか否かが判定される。排気湿度Ｈ_EGが湿度閾値Ｈ_DP以上の場合（Ｈ_EG≧Ｈ_DP）、本制御はＳ２５５に進み、排気湿度Ｈ_EGが高湿Ｈ₀以上の場合は、Ｓ２６０で電気ヒータによる加熱を保留、排気湿度Ｈ_EGが高湿Ｈ₀未満の場合は、Ｓ２７０で電気ヒータによる加熱を開始してリターンされる。一方、排気湿度Ｈ_EGが湿度閾値Ｈ_DP未満の場合（Ｈ_EG＜Ｈ_DP）、本制御はＳ２６０に進み、電気ヒータによる加熱を保留してリターンされる。

次に、本実施形態に係る排気系の状態検出装置及び制御装置による作用効果を説明する。

従来の排気浄化装置には、排気ガス中の湿度を検出可能な湿度センサを備えたものが知られている。湿度センサのセンサ素子には、排気ガス中の未燃成分等が付着する他、高温の排気ガスで頻繁に加熱されるため、経時劣化により検出精度の低下を引き起こす課題がある。また、経時劣化を抑制するためには、センサ素子の耐久性を向上させる必要があり、製造コストを上昇させる課題もある。

これに対し、本実施形態の状態検出装置は、ＤＰＦ１６内に設けた電極１７ａ，１７ｂを用いて静電容量Ｃを検出すると共に、検出した静電容量Ｃ及びＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEに基づいて、排気湿度Ｈ_EGを算出するように構成されている。

したがって、本実施形態の状態検出装置によれば、湿度センサを用いることなく、排気湿度Ｈ_EGを高精度に検出することが可能になると共に、製造コストを効果的に低減することができる。

また、従来の排気浄化装置には、空燃比センサやＮＯｘセンサ等を備えたものが知られている。これら空燃比センサやＮＯｘセンサには、加熱用の電気ヒータが内蔵されているが、結露により被水した状態で電気ヒータを作動すると素子割れを引き起こす虞がある。

これに対し、本実施形態の制御装置では、エンジン１０の始動時に、静電容量Ｃ及びＤＰＦ平均温度Ｔ_AVEから算出した排気湿度Ｈ_EGが、結露を示す湿度閾値Ｈ_DPや高湿Ｈ₀以上の場合は、空燃比センサ３４やＮＯｘセンサ３５の電気ヒータによる加熱を保留するように構成されている。

したがって、本実施形態の制御装置によれば、空燃比センサ３４やＮＯｘセンサ３５の素子割れを確実に防止することが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図５に示すように、排気通路１２にＤＰＦ１６を迂回させるバイパス通路１８を接続し、このバイパス通路１８に容量の小さい計測用ＤＰＦ１６ａ（第２のフィルタ）を備えて構成してもよい。この場合、一対の電極１７ａ，１７ｂを計測用ＤＰＦ１６ａ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置すると共に、バイパス通路１８には排気ガスの流量を調整するオリフィス１８ａ（絞り）を設けることが好ましい。また、計測用ＤＰＦ１６ａの強制再生を実行する場合は、一対の電極１７ａ，１７ｂに電圧を印加してヒータとして機能させてもよい。

１０エンジン
１２排気通路
１３排気管内噴射装置
１４排気後処理装置
１５酸化触媒
１６ＤＰＦ（フィルタ）
２０ＥＣＵ
２１静電容量演算部（静電容量検出手段）
２２ＰＭ堆積量推定部
２３排気湿度算出部（湿度算出手段）
２４露点判定部
２５電気ヒータ制御部（ヒータ制御手段）
３１入口温度センサ（温度検出手段）
３２出口温度センサ（温度検出手段）
３４空燃比センサ
３５ＮＯｘセンサ

Claims

内燃機関の排気系に設けられて、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの温度を検出する温度検出手段と、
前記フィルタの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記フィルタの温度、前記フィルタの静電容量及び、前記フィルタ部に存在する水分子量の関係を予め求めた特性マップに基づいて、前記温度検出手段で検出される温度及び、前記静電容量検出手段で検出される静電容量に対応する水分子量を算出する湿度算出手段と、を備える
ことを特徴とする排気系の状態検出装置。
前記静電容量検出手段は、前記フィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置されて、コンデンサを形成する一対の電極を含む
請求項１に記載の排気系の状態検出装置。
前記フィルタよりも排気上流側及び下流側の前記排気通路を接続して、前記フィルタを迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気中の粒子状物質を捕集する第２のフィルタと、をさらに備え、
前記一対の電極は、前記第２のフィルタ内に少なくとも一個以上の隔壁を挟んで対向配置される
請求項２に記載の排気系の状態検出装置。
前記第２のフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行する際は、前記一対の電極をヒータとして機能させる
請求項３に記載の排気系の状態検出装置。
請求項１から４の何れか一項に記載の状態検出装置と、
排気系に設けられたセンサに内蔵の加熱用ヒータを制御するヒータ制御手段と、をさらに備え、
前記ヒータ制御手段は、内燃機関の始動時に、前記湿度算出手段で算出される排気湿度が結露を示す所定の閾値以上の場合は、排気湿度が当該閾値よりも低くなるまで、前記加熱用ヒータの作動を保留することを特徴とする制御装置。