JP2009002276A - 粒子状物質の捕集量検出方法及び捕集量検出装置と排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタにおけるPMの捕集量を、容易にかつ高い精度で検出する。
【解決手段】PMを捕集するフィルタ２と、フィルタ２に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射するマイクロ波発信器30と、フィルタ２を透過した電磁波の強度を検出するマイクロ波受信器31と、マイクロ波受信器31で検出された強度からPMの捕集量を演算する演算手段と、を含む。
局所的なPM捕集量の濃淡を精度よく検出できるので、捕集量が多くなり過ぎない状態で再生処理を行うことができ、再生処理時における排ガス中への還元剤供給量を最小限とできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、粒子状物質の捕集量検出方法及び捕集量検出装置に関する。本発明は、ディーゼルエンジンの排気系に配置されたフィルタのPM堆積量を検出する場合などに用いることができる。

ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少されてきている。しかし、ディーゼルエンジンについては、有害成分がPM（主として炭素微粒子からなるスート、高分子量炭化水素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子など）として排出されるという特異な事情から、ガソリンエンジンに比べて排ガス浄化が難しい。

現在までに開発されているディーゼルエンジン用排ガス浄化装置としては、大きく分けてトラップ型の排ガス浄化装置（ウォールフロー）と、オープン型の排ガス浄化装置（ストレートフロー）とが知られている。このうちトラップ型の排ガス浄化装置としては、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルPMフィルタ（以下 DPFという））が知られている。この DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁とよりなり、セル隔壁の細孔で排ガスを濾過してPMを捕集することで排出を抑制するものである。

しかし DPFでは、PMの堆積によって排気圧損が上昇するため、何らかの手段で堆積したPMを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、排ガス中に燃料などの還元剤を添加し、DPF の上流側に配置された酸化触媒で燃焼させることで排ガスを昇温し、その高温の排ガスを DPFへ供給する方法などによって、堆積したPMを燃焼させ DPFを強制再生することが行われている。

しかしながらアイドル運転時や低負荷・低速度運転など、低排気温度状態が継続した場合には、酸化触媒などが活性化しないため酸化反応が生じず、排ガス温度の昇温が困難となる。したがって DPFを再生することが困難となり、 DPFの目詰まりが進行してしまう。

そのため、PMの捕集量が所定値を超えたと判定されたときに、排ガス温度を強制的に上昇させることが考えられる。例えば運転状況に対するPM排出量のデータをマップデータとして ECUに記憶しておき、運転時間の積算値からPM排出量を推定し、これを累積計算してPM捕集量を推定する。そしてPM捕集量が所定量を超えたと判断された時点で、 排ガス温度を強制的に上昇させ DPFを再生する方法がある。

ところが運転状況に対するPM排出量のデータをマップデータとする場合においては、誤差が大きいという問題がある。またPMの捕集量の指標として、 DPF前後の差圧を用いることも行われている。しかしこの方法においては、エンジンの運転状況によって判定の基準となる限界差圧の値が大きく変化するため、各運転条件による限界差圧のデータをマップデータとして記憶しておく必要があり、データ量が膨大となる。さらにPM捕集量と差圧との関係は直線関係になく、PM捕集量が少ない範囲において検出感度が低いという問題がある。

そこで特開2005−325771号公報には、捕集容器の外周に巻回した一次コイルに交流電流を流した時に、捕集容器の外周に巻回した二次コイルに発生する電流又は電圧を検出し、その値からPM捕集量を算出する方法が記載されている。二次コイルには、PM捕集量に対応した誘導起電力が発生するので、二次コイルに発生する電流又は電圧を検出することでPM捕集量を算出することができる。

ところで DPFは一般にコージェライトなどのセラミックスから形成され、金属製のケーシング内に収納された状態で用いられる。このような DPFに対して特開2005−325771号公報に記載の技術を適用した場合には、ケーシングで電磁波が遮蔽されるために、ケーシングの外周に一次コイル及び二次コイルを巻回することはできない。したがってコイルは、ケーシング内において DPFの周囲に巻回しなければならない。

ところがケーシング内は排ガスが流通し、 DPFの強制再生時には1000℃もの高温となる。また強制再生時には酸化雰囲気であることも加わり、コイルが早期に劣化してしまう。したがって DPFのPM捕集量を推定する場合に、上記公報に記載の技術を用いることは実用的ではない。

また特開平10−220219号公報には、マイクロ波センサで電磁波強度を測定してPM量を検出する排ガス浄化装置が提案されている。この技術では、フィルタにPMが付着するとフィルタの誘電率、誘電損失が変化し、フィルタ内のマイクロ波の位相がずれ、マイクロ波強度が変化することを利用し、マイクロ波検出位置を固定して、その場所におけるマイクロ波強度を測定し、このマイクロ波強度の変化によりPM付着量を検出している。

しかしながらフィルタの誘電率、誘電損失は、温度の影響を受けるため温度補正をする必要があり、また直接的な位相差測定ではなく定在波を利用してマイクロ波センサで電磁場強度を検出しているため、１点測定ではマイクロ波の減衰の影響を分離するのが難しく、精度よく検出できないという問題がある。そのため、複数箇所で計測を行って総合的に評価したり、あるいはマップデータを用いて面倒な評価をする必要がある。

そしてマイクロ波として通常使用している2.45 GHzのマイクロ波では、波長が12cm程度となり分解能が低いので、この波長以下の局所的なPM捕集量の濃淡を検出できない。そのため局所的なPMの堆積によって、フィルタの再生制御時に熱暴走による局部的な高温が生じて発生するフィルタの溶損を防止することができない。
特開2005−325771号公報 特開平10−220219号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、PMなどの電磁波を吸収する粒子状物質の捕集量を、容易にかつ高い精度で検出することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の粒子状物質の捕集量検出方法の特徴は、粒子状物質を含む気体が流通する流路中に捕集容器を配置して捕集容器に捕集された粒子状物質の捕集量を推定する捕集量推定方法であって、捕集容器の外部から捕集容器に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する照射工程と、捕集容器を透過した該電磁波の強度を検出し、予め決められた強度と捕集量との関係式に該強度を代入して該粒子状物質の捕集量を演算する検出工程と、を含むことにある。

また本発明の粒子状物質の捕集量検出装置の特徴は、粒子状物質を含む気体が流通する流路中に配置された捕集容器と、捕集容器の外部から捕集容器に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する電磁波照射手段と、捕集容器を透過した電磁波の強度を検出する電磁波受信手段と、電磁波受信手段で検出された強度から粒子状物質の捕集量を演算する演算手段と、を含むことにある。

さらに本発明の排ガス浄化装置の特徴は、排ガス流路に配置されカーボンを主とするPMを捕集するフィルタと、フィルタを収納する収納容器と、収納容器に形成された入射窓からフィルタに周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する電磁波照射手段と、フィルタを透過し収納容器に形成された放射窓から放射された電磁波の強度を検出する電磁波受信手段と、電磁波受信手段で検出された強度からPMの捕集量を演算する演算手段と、を含むことにある。

本発明の排ガス浄化装置において、演算手段は、電磁波受信手段による検出値からPMが捕集されたフィルタにおける電磁波の吸収係数を算出し、予め測定されたPMが捕集されていないフィルタのみにおける電磁波の吸収係数に対する比からPMの捕集量を演算することが望ましい。またフィルタの上流側で排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段をさらに備えることが好ましく、フィルタに捕集されたPMの捕集量を推定する推定手段と、推定手段によって推定されたPMの捕集量に基づいて還元剤供給手段の駆動を制御する制御手段と、をさらに備えることが望ましい。

本発明の粒子状物質の捕集量検出方法及び捕集量検出装置によれば、周波数が数10GHz 〜数THz （波長がmmレベル）の電磁波を用い、粒子状物質による電磁波の吸収を利用して捕集量を検出しているので、１点測定でも精度高く検出することができる。

そして本発明の排ガス浄化装置によれば、局所的なPM捕集量の濃淡を精度よく検出できるので、捕集量が多くなり過ぎない状態で再生処理を行うことで熱暴走によるフィルタの溶損を防止することができる。また再生処理時における排ガス中への還元剤供給量を最小限とできるため、燃費も向上する。

本発明の捕集量検出装置は、捕集容器と、捕集容器に電磁波を照射する電磁波照射手段と、捕集容器を透過した電磁波の強度を検出する電磁波受信手段と、電磁波受信手段で検出された強度から粒子状物質の捕集量を演算する演算手段と、を含む。

本発明にいう粒子状物質とは、周波数が数10GHz 〜数THz のミリ波レベルのマイクロ波を吸収し、そのエネルギーを最終的には熱エネルギーに変換する物質であれば特に制限なく、カーボンを主とするPM、フェライト粉などの磁性体粉末などが例示される。

また本発明では、周波数が数10GHz 〜数THz のミリ波レベルのマイクロ波が用いられる。周波数がこの範囲より低いと捕集された粒子状物質を透過しやすくなり、捕集量の検出精度が低下する。また周波数がこの範囲より高くなると、捕集された粒子状物質を透過しにくくなり、やはり検出精度が低下する。600GHz近傍の周波数を用いることが特に好ましい。

捕集容器は、粒子状物質を含む気体が流通する流路中に配置されるものであり、各種フィルタを用いることができる。この捕集容器は、周波数が数10GHz 〜数THz のミリ波レベルのマイクロ波を透過するものが用いられる。マイクロ波の一部が吸収されても構わない。排ガス浄化装置の場合には、コージェライト、窒化ケイ素、アルミナなどセラミックス製のフィルタが代表的に用いられる。

電磁波照射手段は、捕集容器の外部から捕集容器に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する手段であり、マグネトロンなどを用いることができる。捕集容器に電磁波を直接的に照射することが望ましいが、排ガス浄化フィルタなど金属製の収納容器に収納されている捕集容器の場合には、収納容器に形成され数10GHz 〜数THz の電磁波を透過可能な入射窓を介して電磁波を照射する。この入射窓の材質としては、コージェライト、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミックス、ガラスなどを用いることができる。

電磁波受信手段は捕集容器を透過した電磁波の強度を検出するものであり、マイクロ波センサなど公知のものを用いることができる。電磁波受信手段は、捕集容器に対して電磁波照射手段と反対側に配置され、捕集容器に近接して配置することが望ましい。しかし排ガス浄化装置の場合には、熱によって電磁波受信手段が劣化する恐れがあるので、収納容器に形成され数10GHz 〜数THz の電磁波を透過可能な放射窓を介して受信するように構成する。この放射窓は、入射窓と同様のもので耐熱性を有する材質から形成することができる。

電磁波照射手段と電磁波受信手段とは、捕集容器に対して互いに反対側に位置するように配置される。例えばハニカムフィルタなど円柱形状の捕集容器の場合には、その直径方向の両側にそれぞれ配置することができる。あるいは排ガス流入側と排ガス流出側で、それぞれ軸を含む平面上で互いに反対側に位置するように配置することも好ましい。このようにすれば、排ガス流れ方向の全長におけるPM捕集量を検出することができる。

演算手段は、電磁波受信手段で検出された電磁波強度から粒子状物質の捕集量を演算する。すなわち予め決められた強度と捕集量との関係式に、電磁波受信手段で検出された電磁波強度を代入して粒子状物質の捕集量を演算する。

捕集容器自体が周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波をある程度吸収する場合が多いので、先ずブランクとして粒子状物質が捕集されていない状態の捕集容器のみの場合の受信強度を測定しておく。そうすれば、粒子状物質が捕集された状態における受信強度との差から、粒子状物質の捕集量を算出することができる。

排ガス浄化装置の場合には、演算手段は、電磁波受信手段による検出値からPMが捕集されたフィルタにおける電磁波の吸収係数を算出し、予め測定されたPMが捕集されていないフィルタのみにおける電磁波の吸収係数に対する比からPMの捕集量を演算することが望ましい。電磁波の吸収係数を指標とすることで、温度などの各種因子に関わらずPM捕集量と吸収係数との関係が一次式となるので、PM捕集量の算出を容易にかつ精度高く行うことができる。なお吸収係数は透過率の対数で表され、透過率は放射出力の入射出力に対する割合である。

排ガス浄化装置では、フィルタに捕集されたPMの捕集量が多くなると、圧損が上昇してエンジン性能に悪影響を及ぼす。したがってフィルタを交換する、あるいはフィルタを加熱して捕集されたPMを燃焼する再生処理を行う、などの対策が必要となる。フィルタの交換は実用的でないので、一般には再生処理が行われている。

そこで本発明の排ガス浄化装置には、フィルタの上流側で排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段をさらに備えることが望ましい。排ガス中に還元剤を直接的に供給する手段であってもよいし、気筒内に還元剤をポスト噴射することで排ガス中に還元剤を間接的に供給する手段であってもよい。フィルタの温度が還元剤の発火温度より高くなっていれば、還元剤がフィルタ内で燃焼し、その燃焼熱によってフィルタが例えば 600℃以上の高温となることでPMを燃焼させフィルタを再生することができる。この還元剤供給手段としては、ポンプ、インジェクタなどがある。

またフィルタの上流側に酸化触媒を配置したり、フィルタに触媒層を形成することも好ましい。このようにすれば、フィルタの温度が低温であっても触媒によって還元剤を酸化燃焼することができ、その燃焼熱によってフィルタを再生することが可能となる。

還元剤供給手段を用いた場合には、フィルタに捕集されたPMの捕集量を推定する推定手段と、推定手段によって推定されたPMの捕集量に基づいて還元剤供給手段の駆動を制御する制御手段と、を設けることが望ましい。これにより最適なタイミングで還元剤供給手段を駆動できるので、燃費が向上する。推定手段は、フィルタの上流側と下流側との差圧、エンジンの駆動時間、走行条件の記録などから、フィルタに捕集されたPM捕集量を推定することができる。

再生処理時には、推定手段はフィルタの上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段及びフィルタの温度を検出する温度センサの少なくとも一方の検出値に基づいてフィルタ内に残存するPM量を推定することも好ましい。差圧検出手段の検出値に基づいて残存するPM量を推定すれば、無駄に再生処理を行うことが防止され、燃費がさらに向上する。また温度センサの検出値に基づいて残存するPM量を推定すれば、フィルタが過度に高温となるのが抑制され溶損を防止することができる。

なお、水も電磁波吸収体であり、フィルタ内の水分量が検出値に影響を及ぼすので、水分センサなどを用いて検出された水分量も加味してフィルタに捕集されたPM捕集量を推定することが望ましい。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

図１に本実施例の排ガス浄化装置を示す。ディーゼルエンジン１の排気マニホールド10には、円筒形状のフィルタ２を収納した鋼製のコンバータ20が連結されている。排気マニホールド10からの排ガスの大部分は、コンバータ20内を流れてフィルタ２を通過した後に排出され、排ガスの一部は、ターボチャージャ11及びインタークーラー12を介してディーゼルエンジン１のインテークマニホールド13に戻される。また排気マニホールド10には噴射ノズル14が配置され、排ガス中に軽油が間欠的に噴射されるように構成されている。

フィルタ２は、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁と、を有するハニカム形状のウォールフロー構造をなし、コージェライトから形成されている。

コンバータ20には、そのほぼ中央部外側に、マイクロ波発信器30とマイクロ波受信器31とが設置されている。マイクロ波発信器30とマイクロ波受信器31とは、フィルタ２の中心軸を含む平面上でフィルタ２を挟む両側にそれぞれ配置されている。マイクロ波発信器30は ECU４によって駆動が制御され、マイクロ波受信器31によって受信された信号は ECU４に入力されている。マイクロ波発信器30とマイクロ波受信器31とに対向するコンバータ20の表面には、図２及び図３に示すように、アルミナからなりマイクロ波が透過可能な入射窓21と放射窓22が形成されている。

またコンバータ20には、フィルタ２の上流側及び下流側における排ガス圧力差を検出する差圧センサ23が配置され、差圧センサ23の出力信号は ECU４に入力されている。さらにコンバータ２には、フィルタ２の下流側で排ガス温度を検出する温度センサ24が設置されている。

この排ガス浄化装置において、先ず新品のフィルタ２を用い、エンジン１を駆動することなく、マイクロ波発信器30から600GHzのミリ波を入力強度Ｉ_i で発信し、マイクロ波受信器31で受信された出力強度Ｉ_o を測定した。発信されたミリ波のエネルギーは入射窓21、フィルタ２、放射窓22によってある程度吸収されてＩ_i ＞Ｉ_o となり、透過率はＩ_o ／Ｉ_i で表される。

そして数１式から、フィルタ２のみの場合の吸収係数α_r(referencs)が算出される。

次に、予め種々の捕集量でPMが捕集されたフィルタ２を複数個用意してコンバータ20内にそれぞれ収納した。そしてエンジン１を駆動することなく、マイクロ波発信器30から600GHzのミリ波を入力強度Ｉ_i で発信し、マイクロ波受信器31で受信された出力強度Ｉ_o を測定した。

それぞれのフィルタ２におけるPM捕集量と透過率（Ｉ_o ／Ｉ_i ）との関係を図３に示す。図３からわかるように、PM捕集量と透過率との関係は一次式とはなっていない。したがって透過率からPM捕集量を推定するには、複雑な計算が必要となる。

そこで数１式から、PMが捕集されたフィルタ２を用いた場合の吸収係数α_w(with PM)を算出した。そして数２式を用いてフィルタ２のみの場合の吸収係数α_r(referencs)に対する比であるPM ratioを算出し、PM捕集量とPM ratioとの関係を図４に示す。

図４から、PM捕集量とPM ratioとの関係は一次式となることが明らかであり、PM ratioを測定することでPM捕集量を容易にかつ精度高く検出することができる。

そこで本実施例においては、エンジン１を駆動した状態でマイクロ波発信器30を常時駆動し、 ECU４はPM ratioを常時観測する。そして図４の関係式からPM捕集量が算出され、PM捕集量が多くなり過ぎない状態として設定した所定値を超えた場合には、 ECU４は噴射ノズル14を駆動して排ガス中に所定量の軽油を供給する。このとき、マイクロ波発信器30は駆動を停止するのが好ましいが、駆動が続行されていてもよい。

排ガス中に供給された軽油は、フィルタ２に流入しフィルタ２の熱によって発火し燃焼する。この燃焼熱によってフィルタ２は約 600℃以上に昇温し、捕集されていたPMが燃焼する。このとき ECU４は、差圧センサ23の出力信号と温度センサ24の出力信号を常時観測する。そしてフィルタ２の上流側と下流側との差圧が所定値以下となるまで軽油の添加が続行される。しかし万一、フィルタ２から排出された排ガス温度が所定値を超えた場合には、 ECU４は噴射ノズル14の駆動を停止しフィルタ２の溶損を防止する。

すなわちPM ratioを指標とすることで、PM ratioとPM捕集量との関係が一次式となるので、PM ratioを測定することでPM捕集量を容易にかつ精度高く検出することができる。またミリ波レベルのマイクロ波を用いることで、局所的なPM捕集量の濃淡を精度よく検出できる。したがって確実にPM捕集量が多くなり過ぎない状態でフィルタの再生処理を行うことができるので、熱暴走による溶損を未然に防止することができる。さらに噴射ノズル14の駆動を最小限とすることができるので、燃費が向上する。

本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置のブロック図である。 本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置の要部拡大断面図である。 PM捕集量と透過率との関係を示すグラフである。 PM捕集量とPM ratioとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１：エンジン ２：フィルタ ４：ECU
14：噴射ノズル 20：コンバータ 21：入射窓
22：放射窓 23：差圧センサ 24：温度センサ
30：マイクロ波発信器 31：マイクロ波受信器

Claims (7)

1. 粒子状物質を含む気体が流通する流路中に捕集容器を配置して該捕集容器に捕集された該粒子状物質の捕集量を推定する捕集量推定方法であって、
   該捕集容器の外部から該捕集容器に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する照射工程と、
   該捕集容器を透過した該電磁波の強度を検出し、予め決められた強度と捕集量との関係式に該強度を代入して該粒子状物質の捕集量を演算する検出工程と、を含むことを特徴とする粒子状物質の捕集量検出方法。
2. 粒子状物質を含む気体が流通する流路中に配置された捕集容器と、
   該捕集容器の外部から該捕集容器に周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
   該捕集容器を透過した該電磁波の強度を検出する電磁波受信手段と、
   該電磁波受信手段で検出された該強度から該粒子状物質の捕集量を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする粒子状物質の捕集量検出装置。
3. 排ガス流路に配置されカーボンを主とするPMを捕集するフィルタと、
   該フィルタを収納する収納容器と、
   該収納容器に形成された入射窓から該フィルタに周波数が数10GHz 〜数THz の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
   該フィルタを透過し該収納容器に形成された放射窓から放射された該電磁波の強度を検出する電磁波受信手段と、
   該電磁波受信手段で検出された該強度からPMの捕集量を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 前記演算手段は、前記電磁波受信手段による検出値からPMが捕集された前記フィルタにおける前記電磁波の吸収係数を算出し、予め測定されたPMが捕集されていない前記フィルタのみにおける前記電磁波の吸収係数に対する比からPMの捕集量を演算する請求項３に記載の排ガス浄化装置。
5. 前記フィルタの上流側で排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段をさらに備えた請求項３又は請求項４に記載の排ガス浄化装置。
6. 前記フィルタに捕集された前記PMの捕集量を推定する推定手段と、該推定手段によって推定された前記PMの捕集量に基づいて前記還元剤供給手段の駆動を制御する制御手段と、をさらに備えた請求項５に記載の排ガス浄化装置。
7. 前記推定手段は、前記フィルタの上流側と下流側との差圧を検出する差圧検出手段及び前記フィルタの温度を検出する温度センサの少なくとも一方の検出値に基づいてPMの捕集量を推定する請求項６に記載の排ガス浄化装置。

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