特許第6032053号(P6032053)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6032053
(24)【登録日】2016年11月4日
(45)【発行日】2016年11月24日
(54)【発明の名称】排気系の状態検出装置及び制御装置
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/027 20060101AFI20161114BHJP
   F01N 3/023 20060101ALI20161114BHJP
   F01N 3/031 20060101ALI20161114BHJP
【FI】
   F01N3/027 D
   F01N3/023 K
   F01N3/031
【請求項の数】5
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2013-31168(P2013-31168)
(22)【出願日】2013年2月20日
(65)【公開番号】特開2014-159781(P2014-159781A)
(43)【公開日】2014年9月4日
【審査請求日】2016年1月13日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100068021
【弁理士】
【氏名又は名称】絹谷 信雄
(72)【発明者】
【氏名】阿曽 充宏
(72)【発明者】
【氏名】内山 正
(72)【発明者】
【氏名】野田 正文
【審査官】 稲村 正義
(56)【参考文献】
【文献】 特開2009−97410(JP,A)
【文献】 特開2007−262973(JP,A)
【文献】 特開2009−30513(JP,A)
【文献】 特公平6−90167(JP,B2)
【文献】 特開2008−14144(JP,A)
【文献】 特開2003−185614(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/00−3/38
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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5】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気系の状態検出装置及び制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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)。
【0004】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−247145号公報
【特許文献2】特開2002−510006号公報
【特許文献3】特開2003−193830号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【発明の効果】
【0015】
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。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】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。
図2】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。
図3】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。
図4】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。
図5】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。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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TIN)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TOUT)を検出する。これら入口温度TIN及び出口温度TOUTは、電気的に接続されたECU20に出力される。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
【数1】
【0029】
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TIN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PMDEPを推定する。PM堆積量PMDEP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。
【0030】
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TIN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HEG)を算出する。排気湿度算出部23による排気湿度HEGの具体的な算出を以下に詳述する。
【0031】
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TAVE及び、排気湿度HEG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CA)と、現在のPM堆積量PMDEP及びDPF平均温度TAVE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TAVE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HEGを算出する。
【0032】
なお、排気湿度HEGの算出は、DPF平均温度TAVE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HEGの算出に用いる温度は、必ずしもDPF平均温度TAVEである必要はなく、入口温度TIN又は出口温度TOUT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。
【0033】
露点判定部24は、DPF入口温度TIN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HEG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HDPが予め記憶されている。露点判定部24は、DPF入口温度TIN等が100℃以下の状態で、算出される排気湿度HEGが湿度閾値HDP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(HEGがHDP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HEGの高湿状態を判定してもよい。
【0034】
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HEGが湿度閾値HDP以上の場合は、排気湿度HEGが湿度閾値HDP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。
【0035】
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。
【0036】
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TIN等が、100℃以下にあるか否かが判定される。DPF入口温度TIN等が100℃以下の場合、本制御はS110に進む。
【0037】
S110では、現在の実静電容量CAが演算されると共に、現在のPM堆積量PMDEP及びDPF平均温度TAVEが算出される。さらに、S120では、S110で算出したPM堆積量PMDEP及びDPF平均温度TAVEに対応する基準静電容量C0が読み取られる。
【0038】
S130では、S110で演算した実静電容量CA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TAVEを三次元特性マップ(図2参照)に適用して排気湿度HEGが算出される。
【0039】
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。
【0040】
S250では、S240で算出した排気湿度HEGが結露を示す湿度閾値HDP以上にあるか否かが判定される。排気湿度HEGが湿度閾値HDP以上の場合(HEG≧HDP)、本制御はS255に進み、排気湿度HEG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HEG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HEGが湿度閾値HDP未満の場合(HEG<HDP)、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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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TAVEに基づいて、排気湿度HEGを算出するように構成されている。
【0044】
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HEG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。
【0045】
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。
【0046】
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TAVEから算出した排気湿度HEGが、結露を示す湿度閾値HDP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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【符号の説明】
【0050】
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
16 DPF(フィルタ)
20 ECU
21 静電容量演算部(静電容量検出手段)
22 PM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
35 NOxセンサ
図1
図2
図3
図4
図5