説明

微粒子センサ及び排ガス浄化装置

【課題】
内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出するための検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことを可能とした微粒子センサ及びこれを備えた排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】
排ガスが流通する排気流通路と、排気流通路上に配置され、排気流通路を流通する排ガス中に含まれる微粒子を検出可能な検出フィルタと、検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、排気流通路上の検出フィルタの上流側に配置され、検出フィルタへの排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、微粒子センサ及び排ガス浄化装置に係り、特に内燃機関から排出される排ガス中に含まれる微粒子(PM:Particulate Matter)を検出する微粒子センサ、及び、その微粒子センサを備える排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれるC(炭素)を主とする微粒子(PM)を捕捉するのに、多孔質セラミックより構成される微粒子捕捉フィルタ(DPF:diesel particulate filter)を用いた排ガス浄化装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この排ガス浄化装置において、DPFには、ディーゼルエンジンの継続的な使用に伴って徐々にPMが堆積する。このため、ディーゼルエンジン側から大気へ排ガス中のPMが放出されるのを防止することができ、排ガスを浄化することが可能である。
【0003】
尚、DPFにPMが過剰に堆積するなどの事態が生ずると、DPF下流側の排気ラインへPMが漏れ出すおそれがある。そこで、このDPF下流側へのPM漏れの有無を診断するうえでは、DPF下流側の排気ラインに分岐して接続する分岐路を設け、その分岐路上にPM濃度を測定してDPF下流側へのPM漏れを検出するための検出フィルタを設けることが考えられる。また、DPFへの過剰なPMの堆積を防止するうえでは、適切なタイミングでDPFに堆積したPMを燃焼させて酸化除去することが有効である。そこで、DPFへのPM堆積量を測定するために、DPF上流側の排気ラインに接続し、内燃機関から排出された排ガスの一部をサンプルガスとして取り入れる分岐路を設け、その分岐路上に排ガス中のPMを検出(捕捉)可能な検出フィルタを設けている。
【0004】
このような検出フィルタの近傍には、分岐路内の検出フィルタ前後の圧力差や排気ライン中の酸素濃度などに応じた信号を出力する微粒子センサが配設されている。微粒子センサの出力信号は、診断装置又は測定装置に送られて、DPF下流側へのPM漏れの診断やDPFへのPM堆積量の測定に使用される。従って、かかる微粒子センサを用いれば、DPF下流側へのPM漏れを診断し或いはDPFへのPM堆積量を測定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】欧州特許第1916394号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、従来の排ガス浄化装置(特許文献1)において、DPF下流側へのPM漏れの有無を診断し或いはDPFに捕捉されるPM量を測定するためには、上記した検出フィルタへ排ガスを導く必要がある。分岐路上の検出フィルタがメインの排気ラインを流通する排ガスに常に晒される構造では、検出フィルタに堆積するPM量の増加する速度が比較的高いので、その結果として、検出フィルタを長期間にわたって作動させるため、検出フィルタに堆積するPMを燃焼除去して検出フィルタを再生する電熱ヒータなどの再生機構を検出フィルタ周辺に設けることが一般的である。
【0007】
しかし、このような再生機構を設けることとすると、排ガス浄化装置全体での構成が過大となり、また、高温に至る部位が多くなるので、各部品の耐熱性を高めることが必要になり或いは各部品と検出フィルタとの距離を大きくすることが必要になるなどの不都合が生じてしまう。
【0008】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことを可能とする微粒子センサ及び排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の微粒子センサは、内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出する微粒子センサであって、前記排ガスが流通する排気流通路と、前記排気流通路上に配置され、前記排気流通路を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を検出(捕捉)可能な検出フィルタと、前記検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、前記排気流通路上の前記検出フィルタの上流側に配置され、前記検出フィルタへの前記排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、前記開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、を備える微粒子センサである。
【0010】
この態様の発明において、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気流通路の、微粒子を検出(捕捉)可能な検出フィルタの上流側には、その検出フィルタへの排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁が設けられている。開閉弁が開放されている場合は、排気流通路側から検出フィルタ側への排ガスの流通が許可されることで、検出フィルタに排ガスが導かれるが、開閉弁が閉じている場合は、排気流通路側から検出フィルタ側への排ガスの流通が禁止されることで、検出フィルタには排ガスが導かれない。従って、本発明によれば、検出フィルタが排ガスに晒される時期を開閉弁の閉じにより大幅に制限することができるので、検出フィルタに排ガス中のPMが堆積する速度を飛躍的に低くすることができる。このため、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省略することができる。
【0011】
尚、上記した微粒子センサにおいて、前記弁制御手段は、定期的に前記開閉弁の開閉状態を切り替えることとしてもよい。
【0012】
また、上記した微粒子センサおいて、前記弁制御手段は、内燃機関の運転状態及び前記排ガスの状態に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り替えることとしてもよい。
【0013】
本発明の排ガス浄化装置は、上記した微粒子センサは、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気管(主排気ライン)上に配置され、前記排気管を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、前記微粒子捕捉フィルタの上流側から該微粒子センサへ、前記排気管を流通する前記排ガスの一部を導入する上流側排ガス導入手段と、前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタに堆積する微粒子の量を算出する微粒子堆積量算出手段と、を備える排ガス浄化装置である。
【0014】
更に、本発明の別の排ガス装置は、内燃機関から排出される排ガスが流通する排気管上に配置され、前記排気管を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、前記微粒子捕捉フィルタの下流側から該微粒子センサへ、前記排気管を流通する前記排ガスの一部を導入する下流側排ガス導入手段と、前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタの故障を診断するフィルタ故障診断手段と、を備える排ガス浄化装置である。なお、上記排ガス浄化装置は、上記微粒子センサを適用した排ガス浄化装置である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、検出フィルタを長期間にわたって作動させるうえで、その検出フィルタを再生させる再生機構を省くことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態である排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図2】図1の排ガス浄化装置の要部構成図である。
【図3】図2の排ガス浄化装置において開閉弁を駆動制御すべく実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。
【図4】本発明の別の実施形態である排ガス浄化装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を用いて、本発明に係る排ガス浄化装置の具体的な実施の形態について説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施形態である排ガス浄化装置10の全体構成図を示す。また、図2は、図1の排ガス浄化装置10の要部構成図を示す。
【0019】
本実施形態の排ガス浄化装置10は、図1に示す如く、内燃機関(特にディーゼルエンジン)12に接続する排気ライン14上に設けられた、ディーゼル用酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)16及び微粒子捕捉フィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)18を備えている。DOC16は、内燃機関12から排出される排ガス中に含まれる酸化され易い一酸化炭素や炭化水素などを除去するための触媒(触媒担体)である。また、DPF18は、内燃機関12から排出される排ガス中に含まれる微粒子(PM:Particulate Matter)を捕捉可能なフィルタである。
【0020】
本実施形態の排ガス浄化装置10は、内燃機関12から大気へ排出される排ガスを浄化するための装置であると共に、DPF18に破損などの故障が発生し、閾値以上の量のPMが排気ライン14上でDPF18下流側へ漏れ出した場合に、この故障を検出して、アラームやランプの点滅、点灯等を行うことができる装置である。排ガス浄化装置10は、DPF18の故障を検出するための微粒子センサ20を備えている。
【0021】
図2に示す如く、排気ライン14のDPF18下流側には、大気に連通する主排気ライン(排気ライン14)とは別に設けられた排ガス採取ライン22が接続されている。この実施形態中の排ガス採取ライン22(図2参照)及び104(図4参照)、主排気ラインは、請求の範囲の記載も含めて総称的に排気流通路と言うことがある。排ガス採取ライン22は、主排気ラインから分岐されており、DPF18を通過した排ガスの一部が流入し得る。排ガス採取ライン22は、主排気ラインの流路断面積よりも小さな流路断面積(例えば、主排気ラインの流路断面積の1/100〜1/1000程度)を有している。微粒子センサ20は、排ガス採取ライン22内に配設されており、排ガス採取ライン22に流れる排ガス中のPMの濃度に基づいてDPF18からのPM漏れを判定する。
【0022】
微粒子センサ20は、排ガス採取ライン22内に設けられた検出フィルタ28及び差圧計30により構成されている。尚、微粒子センサ20は、更に流量計及び/又は温度測定部を含むように構成されていてもよい。排ガス採取ライン22の下流端は、排ガス採取ライン22の上流側の圧力よりも低い圧力を有する部位(例えば負圧タンクやエアインテーク部など)に接続されている。このため、DPF18を通過した主排気ライン中の排ガスの一部は、排ガス採取ライン22側に吸引されて、検出フィルタ28を通過する。
【0023】
検出フィルタ28は、内燃機関12から排出される排ガス中に含まれるPMの濃度を算出するためのフィルタであって、PMを捕捉して、PMを検出することが可能である。検出フィルタ28は、DPF18と同様の多孔質セラミックなどの材質により構成されており、円筒状に形成されている。検出フィルタ28は、DPF18のスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有している。
【0024】
差圧計30は、排ガス採取ライン22内における検出フィルタ28の入口と出口との差圧(すなわち、上流側と下流側との圧力差)ΔPに応じた電気信号を出力する機器であって、例えばダイヤフラム式やゲージ式、ベローズ式、熱式などの公知の圧力計などにより構成されている。差圧計30には、マイクロコンピュータを主体に構成される演算部32が電気的に接続されている。差圧計30の出力はこの演算部32に供給される。演算部32は、差圧計30の出力信号に基づいて、排ガス採取ライン22内における検出フィルタ28の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔPを検出する。そして、その圧力差ΔPの時間変化に基づいて排ガス中のPM濃度を測定する。
【0025】
また、排ガス採取ライン22上には、電磁弁などからなる開閉弁34が設けられている。開閉弁34は、排ガス採取ライン22上において排気ライン14との分岐点から検出フィルタ28までの間に配置されており、メインの排気ライン14側から検出フィルタ28側への排ガスの流通を許可・禁止するON/OFF弁である。開閉弁34は、マイクロコンピュータを主体に構成された演算部32と電気的に接続されており、演算部32からの指令に従って開閉する。具体的には、開閉弁34は、演算部32から開指令信号が供給される場合に排気ライン14側から検出フィルタ28側への排ガスの流通を許可し、一方、演算部32から閉指令信号が供給される場合に排気ライン14側から検出フィルタ28側への排ガスの流通を禁止するように作動する。
【0026】
次に、図3を参照して、本実施形態の排ガス浄化装置10の動作について説明する。図3は、本実施形態の排ガス浄化装置において演算部32が開閉弁を駆動制御すべく実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。
【0027】
本実施形態において、内燃機関12から排出された排ガスは、排気ライン14を流通してDPF18を通過した後、大気へ放出され、或いは、排ガス採取ライン22内へ流入する。排ガス採取ライン22内に流入した排ガスは、開閉弁34が主排気ライン側から検出フィルタ28側への排ガスの流通を禁止するように閉じている場合は、排ガス採取ライン22の開閉弁34下流側すなわち検出フィルタ28側への流通が禁止されることとなる。一方、開閉弁34が主排気ライン側から検出フィルタ28側への排ガスの流通を許可するように開いている場合は、排ガス採取ライン22の開閉弁34下流側すなわち検出フィルタ28側への流通が許可されることとなる。
【0028】
検出フィルタ28側への排ガスの流通が許可されると、その排ガスは、検出フィルタ28に導かれる。排ガス中にPMが含まれている場合は、そのPMは、検出フィルタ28に吸着されて堆積する。検出フィルタ28でのPMの堆積状態が時間変化すると、排ガス採取ライン22上での検出フィルタ28前後の圧力差ΔPが時間変化することとなる。
【0029】
演算部32は、開閉弁34により検出フィルタ28側への排ガスの流通を許可する状況において、差圧計30の出力信号に基づいて、排ガス採取ライン22内における検出フィルタ28の上流側と下流側との間に生じる圧力差ΔPを検出する。そして、その圧力差ΔPの時間変化に基づいて検出フィルタ28に検出される(捕捉される)PMの量を算出して排ガス採取ライン22に流れる排ガス中のPMの濃度を算出し、その算出したPM濃度が閾値以上であるか否かに基づいてDPF18からのPM漏れの有無を判定する。その判定の結果、DPF18からのPM漏れが生じていることを判定すると、アラーム又はランプの点滅又はランプの点灯等を行う。従って、開閉弁34により検出フィルタ28側への排ガスの流通が許可される状況において、差圧計30を用いてDPF18下流側の排ガス中のPM濃度を算出してDPF18の故障有無を判定するので、その故障有判定時に排ガス浄化装置10を搭載する車両等の運転者にその故障を知らせることが可能である。
【0030】
尚、演算部32は、開閉弁34への開指令信号の供給を、常時ではなく定期的に行い或いは内燃機関12が所定以上の高回転で運転している時に行うこととすればよい。具体的には、第1の所定期間(例えば内燃機関12の運転中の5分〜20分)ごとにその第1の所定期間よりも短い第2の所定期間(例えば1秒間〜30秒間)だけ(ステップS100の肯定判定時)、開閉弁34へ開指令信号の供給を行い(ステップS102)、他の期間(ステップS100の否定判定時)は開閉弁34へ閉指令信号の供給を行う(ステップS104)。また或いは、内燃機関12が2000rpm以上で運転している時(ステップS100の肯定判定時)は、開閉弁34へ開指令信号の供給を行い(ステップS102)、内燃機関12が2000rpm未満で運転している時(ステップS100の否定判定時)は開閉弁34へ閉指令信号の供給を行う(ステップS104)。この場合、排気ライン14から排ガス採取ライン22を介した検出フィルタ28への排ガスの流通は、常に許可される訳ではなく、開閉弁32の開条件が成立するときにのみ許可されることとなる。
【0031】
また尚、上記した開閉弁34への開指令信号の供給を開始してから終了するまでの継続期間(上記した第2の所定期間など)は、少なくとも、演算部32が排ガス採取ライン22に流れる排ガス中のPMの濃度を算出して、そのPM濃度に基づいてDPF18からのPM漏れの有無を判定するのに最低限必要な時間に設定されるものであればよい。
【0032】
このような排ガス浄化装置10においては、検出フィルタ28が排ガスに常に晒されるものに比べて、検出フィルタ28が排ガスに晒される時期を開閉弁34の閉じにより制限することができる。尚、検出フィルタ28への排ガスの流通を許可する条件が緩和されたものであるほど(上記した第1の所定期間が短いほど或いは上記した第2の所定期間が長いほど)、その時期はあまり制限されず、DPF18からのPM漏れの判定を高頻度で行うことができるが、検出フィルタ28への排ガスの流通を許可する条件が厳しいものであるほど(上記した第1の所定期間が長いほど或いは上記した第2の所定期間が短いほど)、その時期は大幅に制限されて相対的に短くなり、DPF18からのPM漏れの判定頻度を抑えることができる。
【0033】
この点、本実施形態によれば、DPF18からのPM漏れの判定頻度を抑えてもよい場合は、上記した開閉弁32の開条件を厳しく設定することで、検出フィルタ28に排ガス中のPMが堆積する速度を飛躍的に低く抑えることができる。従って、検出フィルタ28を長期間にわたって適正に作動させるうえで、堆積PMを除去して検出フィルタ28を再生させることを省くことが可能で、検出フィルタ28に再生を施す再生機構を設けることを省くことが可能となっている。
【0034】
このため、本実施形態においては、排ガス浄化装置10の全体構成をコンパクトにすることができ、また、耐熱性を高める必要のある部品を削減することができ、DPF18からのPM漏れを判定可能な排ガス浄化装置10を低廉かつ簡易に構成することが可能となっている。
【0035】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0036】
例えば、上記の実施形態においては、DPF18からのPM漏れの判定と、開閉弁34への開閉指令と、を同じ演算部32を用いて行うこととしているが、それぞれ別の演算部を用いて行うこととしてもよい。
【0037】
また、上記の実施形態においては、開閉弁34の開を定期的に或いは内燃機関12が所定以上の高回転で運転している時に行うものとしているが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、内燃機関12の始動時やアイドル運転時には開閉弁34を閉じかつ他の時には開閉弁34を開とすることとしてもよいし、また、排ガスの温度を検出する温度センサを設け、排ガスの温度が所定以下に低い時には開閉弁34を閉じかつ他の時には開閉弁34を開とすることとしてもよい。更に、開閉弁34の開を定期的に行いつつ内燃機関12が所定以上の高回転で運転している時にも行うこととしてもよい。
【0038】
更に、上記の実施形態は、主排気ラインのDPF18下流側に接続する排ガス採取ライン22を設け、その排ガス採取ライン22内に微粒子センサ20を配設して、その微粒子センサ20に検出される(捕捉される)PMの量に基づいてDPF18からのPM漏れを判定する排ガス浄化装置10のシステムであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図4に示す如く、排気ライン14のDPF18上流側に接続する排ガス採取ライン102を設け、その排ガス採取ライン102内に微粒子センサ104を配設して、その微粒子センサ104に検出(捕捉)されるPMの量に基づいて主排気ラインに流れる排ガス中のPMの濃度を測定し若しくはDPF18に堆積するPMの量を測定する排ガス浄化装置100のシステムに適用することとしてもよい。尚、この場合、排ガス採取ライン102は、上流側を排気ライン14のDPF18上流側に接続し、かつ、ガス採取ライン102の下流側を主排気ラインのDPF18下流側に接続するものとしてもよい。
【0039】
かかる変形例においても、排ガス採取ライン102上に排気ライン14側から検出フィルタ側(図示していないが、微粒子センサ104内に存在する)への排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁106を設け、その開閉弁106の開閉を上記実施形態に記載されている適当なタイミングで指令する演算部を設けることとすれば、検出フィルタが排ガスに晒される時期を開閉弁106の閉じにより制限することができるため、上記した実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【0040】
10,100 排ガス浄化装置
12 内燃機関
14 排気ライン
18 DPF
20,104 微粒子センサ
22,102 排ガス採取ライン
28 検出フィルタ
30 差圧計
32 演算部
34,106 開閉弁

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関から排出される排ガス中の微粒子を検出する微粒子センサであって、
前記排ガスが流通する排気流通路と、
前記排気流通路上に配置され、前記排気流通路を流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を検出可能な検出フィルタと、
前記検出フィルタの上流側と下流側との圧力差を検出する差圧検出手段と、
前記排気流通路上の前記検出フィルタの上流側に配置され、前記検出フィルタへの前記排ガスの流通を許可・禁止する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉状態を切り替える弁制御手段と、
を備えることを特徴とする微粒子センサ。
【請求項2】
前記弁制御手段は、定期的に前記開閉弁の開閉状態を切り替えることを特徴とする請求項1に記載された微粒子センサ。
【請求項3】
前記弁制御手段は、内燃機関の運転状態及び前記排ガスの状態に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り替えることを特徴とする請求項1に記載された微粒子センサ。
【請求項4】
内燃機関から排出される排ガスが流通する主排気ライン上に配置され、前記主排気ラインを流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、
請求項1乃至3の何れか一項に記載された微粒子センサと、前記微粒子捕捉フィルタの上流側から前記微粒子センサへ前記排気流通路の一つである前記主排気ラインを流通する前記排ガスの一部を導入する上流側排ガス導入手段と、
前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタに堆積する微粒子の量を算出する微粒子堆積量算出手段と、
を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項5】
内燃機関から排出される排ガスが流通する主排気ライン上に配置され、前記主排気ラインを流通する前記排ガス中に含まれる微粒子を捕捉可能な微粒子捕捉フィルタを備える排ガス浄化装置であって、
請求項1乃至3の何れか一項に記載された微粒子センサと、前記微粒子捕捉フィルタの下流側から前記微粒子センサへ前記排気流通路の一つである前記主排気ラインを流通する前記排ガスの一部を導入する下流側排ガス導入手段と、
前記微粒子センサにより検出される前記微粒子の量に基づいて、前記微粒子捕捉フィルタの故障を診断するフィルタ故障診断手段と、
を備えることを特徴とする排ガス浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−149414(P2011−149414A)
【公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−97568(P2010−97568)
【出願日】平成22年4月21日(2010.4.21)
【出願人】(000000158)イビデン株式会社 (856)
【Fターム(参考)】