(57)【要約】【課題】フィルタの再生時期を適切に決定する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタのセル内に、前記セルの中心軸と重なるように設置された流速センサと、前記流速センサの出力に基づき、前記フィルタを流通する排気の流速を検出する流速検出部と、前記流速に基づいて、前記フィルタに堆積した前記粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出部と、前記堆積量に基づいて、前記フィルタの再生時期を算出する再生時期算出部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタのセル内に、前記セルの中心軸と重なるように設置された流速センサと、
前記流速センサの出力に基づき、前記フィルタを流通する排気の流速を検出する流速検出部と、
前記流速に基づいて、前記フィルタに堆積した前記粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出部と、
前記堆積量に基づいて、前記フィルタの再生時期を算出する再生時期算出部と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路には、排気を浄化するための排気浄化装置が設けられている。このような排気浄化装置では、排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter、以下、ＰＭと略す）を捕集するフィルタを排気通路に設け、当該フィルタにより外部に排出されるＰＭの量を低減している。
【０００３】
フィルタを利用した排気浄化装置では、フィルタに堆積するＰＭの量が増えるにつれて、排気の流通抵抗が大きくなり、内燃機関の背圧が上昇し、出力の低下等が発生する。このため、フィルタに捕集されたＰＭを除去してフィルタを再生する再生処理が行われる。
【０００４】
フィルタは、多量にＰＭを堆積させた状態で再生すると、再生時の発熱反応によりフィルタ形成部材の温度がその融点を越え溶損する。そこで、溶損を防ぐため、再生処理は、通常、ＰＭ堆積量が限界量を超える前に実施される。例えば、特許文献１では、フィルタの入口側と出口側との間の差圧と、フィルタを流通する排ガスの流速と、に基づいてフィルタの再生時期を決定している。また、特許文献２では、フィルタの排気下流において所定位置における動圧から当該所定位置における排気流速を算出し、算出された排気流速から推定されたＰＭ捕集量に基づいてフィルタの再生時期を決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１９５２３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１７２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フィルタの再生処理は燃料の噴射等による燃費の悪化を伴うため、できるだけ実施間隔を広げたいという要求がある。このため、フィルタを溶損させず、かつ、再生処理の実施間隔を広げるために、フィルタ内のＰＭ堆積量を高精度に予測し、再生時期を適切に決定する技術が望まれている。
【０００７】
そこで、本明細書開示の内燃機関の排気浄化装置は、フィルタの再生時期を適切に決定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタのセル内に、前記セルの中心軸と重なるように設置された流速センサと、前記流速センサの出力に基づき、前記フィルタを流通する排気の流速を検出する流速検出部と、前記流速に基づいて、前記フィルタに堆積した前記粒子状物質の堆積量を算出する堆積量算出部と、前記堆積量に基づいて、前記フィルタの再生時期を算出する再生時期算出部と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書開示の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタの再生時期を適切に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したエンジンシステムの構成を示す概略図である。
【図２】図２（ａ）は、フィルタの構成の一例を示す正面図であり、図２（ｂ）は、フィルタの構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、熱線流速計の一例を示す上面図である。
【図４】図４は、熱線流速計の回路図である。
【図５】図５（ａ）は、流速センサのフィルタのセル内への配置例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、流速センサが設置されたセルの正面図であり、図５（ｃ）は、流速センサが設置されたセルの側面断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、流速センサのセルへの固定方法について説明するための図である。
【図７】図７は、セル内における排ガスの流速分布を示す図である。
【図８】図８は、ＥＣＵが実行する再生時期決定処理を示すフローチャートである。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、熱線流速計のフィルタのセル内への配置の別例を示す正面図であり、図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、熱線流速計の移動例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
【００１２】
まず、図１を参照し、一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンシステム１０の構成を示す概略図である。
【００１３】
エンジンシステム１０は、ディーゼルエンジンからなる内燃機関としてのエンジン１００を備えている。なお、図１では４気筒ディーゼルエンジンを例示したが、本発明は、ガソリンエンジン等任意の気筒数の内燃機関に適用することができる。エンジン１００の各気筒は、燃焼室内（筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁１２、吸気バルブ１４、排気バルブ１６等を備えている。また、エンジン１００は、各気筒に吸入空気を吸込む吸気通路１８と、各気筒から排ガスを排出する排気通路２０とを備えている。
【００１４】
吸気通路１８には、吸入空気量を調整するスロットル弁２２が設けられている。
【００１５】
排気通路２０には、排ガス中のＰＭを捕集するフィルタ４００が設けられている。
【００１６】
フィルタ４００は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、多孔質材料（例えばコージェライト）からなる円筒形状のセラミック構造体４０によって形成されている。セラミック構造体４０の内部は、セル隔壁４１によって格子状に区画されたハニカム構造となっており（図２（ａ）参照）、複数のガス流入側セル４２及びガス流出側セル４３が設けられている（図２（ｂ）参照）。ガス流入側セル４２は排ガス下流側の端部が閉塞されたガス流路であり、ガス流出側セル４３は排ガス上流側の端部が閉塞されたガス流路である。これらガス流入側セル４２とガス流出側セル４３とは、ガス流通の際にフィルタとなるセル隔壁（フィルタ隔壁）４１を介して互いに隣り合っている。
【００１７】
以上の構造を有するフィルタ４００において、上流側開口部４２ａからガス流入側セル４２内に流入した排ガスは、図２（ｂ）の矢印で示すように、セル隔壁４１を通過して隣接するガス流出側セル４３に流入し、下流側開口部４３ａから排出される。このようにして排ガスがセル隔壁４１を通過する際に、排ガス中に含まれるＰＭがセル隔壁４１で捕集され、ＰＭの排出を抑制することができる。
【００１８】
図１に戻り、エンジン１００は、排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流するＥＧＲ機構２６を備えている。ＥＧＲ機構２６は、吸気通路１８と排気通路２０とを接続するＥＧＲ通路２８と、ＥＧＲ通路２８を介して排気系から吸気系に還流されるＥＧＲガスの還流量（ＥＧＲ量）を調整するＥＧＲ弁３０とを備えている。また、エンジン１００には、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機３２が搭載されている。なお、本発明は、過給機３２を搭載していない内燃機関にも適用可能である。
【００１９】
エンジンシステム１０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００を備えている。ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ２００は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、後述する流速センサ５０の出力に基づき、フィルタ４００を流通する排ガスの流速を検出する。また、ＥＣＵ２００は、検出した流速に基づいてフィルタ４００に堆積したＰＭの堆積量を算出し、算出したＰＭの堆積量に基づいてフィルタ４００の再生時期を算出する。ＥＣＵ２００は、流速検出部、堆積量算出部、および、再生時期算出部の一例である。
【００２０】
ＥＣＵ２００には、前述の燃料噴射弁１２、スロットル弁２２、ＥＧＲ弁３０等の他、種々のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ２００には、エンジン１００のクランク角を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフロメータ、アクセル開度センサ等の各種のセンサから、エンジンの運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。ＥＣＵ２００は、上述した情報や信号に基づいて、燃料噴射弁１２、スロットル弁２２等の各種のアクチュエータを制御する。
【００２１】
また、ＥＣＵ２００には、フィルタ４００に設置された流速センサ５０が接続されている。本実施形態において、流速センサ５０は、フィルタ４００が備える複数のガス流入側セル４２の一部、または、全部に配置される。
【００２２】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、流速センサ５０は、例えば矩形の板状のアルミナ基板５１上に形成された白金薄膜５２を備える。また、アルミナ基板５１上には電極パッド５４が形成されている。電極パッド５４は、白金からなり、白金薄膜５２とリード線５３とを接続する。
【００２３】
本実施形態に係る流速センサ５０は、ブリッジ回路を用いた熱線流速計である。熱線流速計は、図４に示すように、白金薄膜５２と抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３によってブリッジ回路２を構成する。ブリッジ回路２の抵抗Ｒ１と流速センサ５０の接続点Ｐ１、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点Ｐ２をそれぞれ帰還増幅器３の一対の入力端に接続する。そして、接続点Ｐ１およびＰ２の電圧の差分値を増幅して帰還増幅器３からブリッジ回路２にフィードバックし、流速センサ５０の白金薄膜５２を発熱させて白金薄膜５２が所定温度となる抵抗値でブリッジを平衡状態とする。
【００２４】
このとき、ブリッジ回路２の帰還増幅器３側の入力電圧をＶとすると、次式が成り立つ。
Ｖ＝［（Ａ＋Ｂ√Ｕ）／Ｒｈ］０．５
ここで、Ｕは流速センサ５０上を通過する気体の流速、Ｒｈは白金薄膜５２の抵抗値、Ａ及びＢは、実験から求められる定数である。したがって、ＥＣＵ２００は、ブリッジ回路２の帰還増幅器３側の入力電圧Ｖに基づいて、流速センサ５０上を通過する気体の流速（排ガスの流速）を求めることができる。
【００２５】
なお、本実施形態に係る流速センサ５０においては、白金薄膜５２はアルミナ基板５１に密着しているため、熱の授受が瞬時に起こる。したがって、流速センサ５０は、白金薄膜５２だけでなくアルミナ基板５１も含めて１つのセンシング部として機能する。このため、白金薄膜５２の形状に特に制限はなく、例えば、図３（ａ）に示すコの字形状でもよいし、図３（ｂ）に示すように、階段状であってもよい。
【００２６】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、流速センサ５０のフィルタ４００への設置例を示す図である。図５（ａ）は、ガス流入側セル４２への流速センサ５０の設置例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、流速センサ５０が設置されたガス流入側セル４２の正面図であり、図５（ｃ）は、流速センサ５０が設置されたガス流入側セル４２の側面断面図である。
【００２７】
流速センサ５０は、フィルタ４００のガス流入側セル４２に挿入され、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、ガス流入側セル４２内において、ガス流入側セル４２の中心軸ＡＸ１と重なるように配置される。より詳細には、流速センサ５０の排ガスの流れ方向の中心軸ＡＸ２が、ガス流入側セル４２の中心軸ＡＸ１と重なるように配置される。本実施形態では、流速センサ５０は、ガス流入側セル４２の中心軸ＡＸ１と重なるよう、ガス流入側セル４２の対角線上に配置されている。なお、中心軸ＡＸ２と中心軸ＡＸ１とが重なるとは、セルの寸法と流速センサ５０の寸法との違いによるガタツキやズレを許容するものである。流速センサ５０の短手方向長さＬｓは、ガス流入側セル４２の一辺の長さＬｃより長く、かつ、ガス流入側セル４２の対角線の長さと略同一に設定されている。なお、ガス流入側セル４２の対角線の長さと略同一の長さとは、流速センサ５０がガス流入側セル４２において回転又は移動しない程度の長さである。
【００２８】
流速センサ５０は、例えば、リード線５３をフィルタ４００の上流側と下流側とに引っ張ることにより、ガス流入側セル４２内に固定される。例えば、図６（ａ）に示すように、リード線５３をフィルタ４００の上流側及び下流側（矢印Ａ１で示す方向）に引っ張ることで、矢印Ａ２で示すように、流速センサ５０をガス流入側セル４２の対角線上の片側の角部に押さえつけて固定することができる。あるいは、図６（ｂ）に示すように、リード線５３をフィルタ４００の上流側及び下流側（矢印Ａ１で示す方向）に引っ張ることで、矢印Ａ２で示すように、流速センサ５０の角部をガス流入側セル４２の対角線上の角部に食い込ませ、流速センサ５０を固定することができる。
【００２９】
フィルタ４００のセル内において、排ガスの流速は、図７に示すように、セル隔壁４１に近いほど小さく、セル隔壁４１の近傍の流速はほぼゼロであり、セルの中心部（中心軸付近）で最大となる。したがって、排ガスの流速を正確に測定するためには、セルの中心部での流速を測定することが望ましい。本実施形態では、流速センサ５０を、図５（ｂ）に示すようにセルの対角線上に配置するため、セルの中心部における排ガスの流速を測定することができる。
【００３０】
ＥＣＵ２００は、このように配置された流速センサ５０の出力に基づいて、フィルタの再生時期を決定する。具体的には、ＥＣＵ２００は、図８に示す、再生時期決定処理を実行する。図８の処理は、例えば、エンジン１００の運転状態が所定の運転状態にある場合（例えば、定常運転時又は機関減速時）に実行される。
【００３１】
（再生時期決定処理）
図８に示すように、ＥＣＵ２００は、まず、流速センサ５０の出力を取得する（ステップＳ１１）。
【００３２】
次に、ＥＣＵ２００は、流速センサ５０の出力に基づき、フィルタ４００を流通する排ガスの流速を算出する（ステップＳ１３）。
【００３３】
次に、ＥＣＵ２００は、フィルタ４００を流通する排ガスの流速とＰＭ堆積量との関係を示すマップと、ステップＳ１３で算出した排ガスの流速とに基づいて、フィルタ４００に堆積したＰＭの堆積量を算出する（ステップＳ１５）。なお、フィルタ４００を流通する排ガスの流速とＰＭ堆積量との関係を示すマップは、ＥＣＵ２００のＲＯＭに予め記憶されている。また、当該マップにおいて、排ガスの流速が早いほどＰＭ堆積量は少なくなり、排ガスの流速が遅いほどＰＭ堆積量は多くなる。
【００３４】
次に、ＥＣＵ２００は、ステップＳ１５で算出したＰＭの堆積量が、あらかじめ定めた閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１７）。そして、ステップＳ１５で算出したＰＭの堆積量が閾値以上である場合（ステップＳ１７／ＹＥＳ）、フィルタ４００の再生処理が必要であると判断し、フィルタ４００の再生処理を実行する（ステップＳ１９）。例えば、ＥＣＵ２００は、排気通路２０のうちエンジン１００とフィルタ４００との間に配置された不図示の燃料噴射弁から燃料（軽油）を添加させ、この燃料を燃焼させることで排気温度を上昇させる。排気温度の上昇によりフィルタ４００内の温度が酸化触媒（Ｐｔ）存在下におけるＰＭの酸化反応（燃焼）温度にまで上昇すると、堆積しているＰＭが酸化（燃焼）し、フィルタ４００が再生される。
【００３５】
一方、ステップＳ１５で算出したＰＭの堆積量が閾値未満である場合（ステップＳ１７／ＮＯ）、フィルタ４００の再生処理はまだ必要ないと判断し、図８の処理を終了する。
【００３６】
図８の処理は、常時実行してもよいし、間欠的（例えば、車両が所定の走行距離（例えば、１０ｋｍ）を走るごとに）実行してもよい。
【００３７】
上述の説明から明らかなように、本実施形態に係るエンジンシステム１０は、エンジン１００の排気通路２０に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ４００と、フィルタ４００のガス流入側セル４２内に設けられ、ガス流入側セル４２の中心軸と重なるように設置された流速センサ５０と、流速センサ５０の出力に基づき、フィルタ４００を流通する排気の流速を検出し、当該流速に基づいて、フィルタ４００に堆積した粒子状物質の堆積量を算出し、算出した堆積量に基づいて、フィルタ４００の再生時期を算出するＥＣＵ２００と、を備える。セル隔壁４１に沿って流速センサ５０を配置した場合、セル隔壁４１の近傍の流速はセルの中心部における流速よりも小さいため、排ガスの流速が実際の流速よりも小さく見積もられてしまう。この結果、排ガスの流速に基づいてＰＭの堆積量を算出する場合、正確なＰＭの堆積量を算出することができない。一方、本実施形態では、流速センサ５０は、ガス流入側セル４２の中心軸と重なるように設置されているため、フィルタ４００を流通する排気の流速をより正確に測定することができる。これにより、排気の流速に基づいて算出されるＰＭの堆積量の推定精度が向上し、当該推定されたＰＭの堆積量に基づいて、フィルタ４００の再生時期をより正確に算出することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態において、流速センサ５０の形状は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す矩形形状に限られるものではなく、例えば、アルミナ基板５１は、楕円形であってもよいし、コーナーがＲ形状に形成されていたり、面取りされていたりしてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、リード線５３をフィルタ４００の上流側と下流側とに引っ張ることにより、流速センサ５０をガス流入側セル４２内に固定していたが（図６（ａ）及び図６（ｂ）参照）、リード線５３は、フィルタ４００の上流側及び下流側のいずれか一方から出してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態において、流速センサ５０は、ガス流入側セル４２に配置されていたが、ガス流入側セル４２の代わりにガス流出側セル４３に配置してもよいし、ガス流入側セル４２及びガス流出側セル４３の両方に設置してもよい。
【００４１】
なお、上記実施形態において、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、流速センサ５０を、セルの一辺に沿ってセルの中心軸ＡＸ１と重なるように配置してもよい。この場合、流速センサ５０が、例えば、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に矢印で示すように移動する可能性があるため、流速センサ５０がセル内を移動しないように、リード線５３による固定以外の方法（例えば、接着剤等）で流速センサ５０をセルに固定する。当該構成によっても、セルの中心部における排ガスの流速を計測できるため、排ガスの流速に基づいて算出されるＰＭの堆積量の推定精度が向上し、当該推定されたＰＭの堆積量に基づいて、フィルタ４００の再生時期をより正確に算出することができる。ただし、流速センサ５０をセルの対角線上に配置することにより、リード線５３を用いて流速センサ５０をセルに固定し、流速センサ５０がセル内を移動するのを防止することができるため、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、流速センサ５０は、セルの対角線上に配置することがのぞましい。
【００４２】
なお、上記実施形態において、白金薄膜５２の形状は、コの字形状又は階段状であったが（図３（ａ）及び図３（ｂ）参照）、蛇行形状やジグザグ形状等の形状でもよい。ただし、排ガスの流速計測中は、白金薄膜５２が最も高温となりアルミナ基板５１の端部が最も低温になること、さらに、排ガスの流速が最大となるセルの中心軸と重なるように流速センサ５０を設置することから、白金薄膜５２は、流速センサ５０をセル内に配置したときに白金薄膜５２がセルの中心軸付近に位置するよう形成されるのが、計測感度及び応答性の点から好ましい。
【００４３】
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    エンジンシステム（内燃機関の排気浄化装置）
２０    排気通路
４２    ガス流入側セル
４３    ガス流出側セル
５０    流速センサ
１００  エンジン（内燃機関）
２００  ＥＣＵ（流速検出部、堆積量算出部、再生時期算出部）
４００  フィルタ
【図１】
2018076803.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018076803.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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