JP2010223169A - Accumulation amount detection device for particulate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒子状物質の堆積量検出装置に関するものであり、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置されたフィルターのPM堆積量の検出などに用いることができる。 The present invention relates to a particulate matter accumulation amount detection device, and can be used for detection of a PM accumulation amount of a filter disposed in an exhaust system of an internal combustion engine such as a diesel engine.
ディーゼルエンジン等の内燃機関の有害成分は、PM（パーティキュレート マター：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。最近、環境省が、粒径２．５μｍ以下の微小粒子状物質について環境基準を定めることを検討しており、粒子状物質の規制が厳格となるため、対応が迫られており、開発競争が行われている。 Harmful components of internal combustion engines such as diesel engines are emitted as PM (particulate matter: soot made of carbon fine particles, high molecular weight hydrocarbon fine particles, sulfur fine particles such as sulfate). Recently, the Ministry of the Environment has been studying the establishment of environmental standards for microparticulates with a particle size of 2.5 μm or less, and the regulations on particulate matter have become stricter. Has been done.
ディーゼルエンジン用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： DPF）が普及している。
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交互に目封じしたものである。すなわち、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、排ガス上流側で目詰めされた流出側セルとを設け、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁の細孔で排ガスを濾過し、粒子状物質を捕集する。
Ceramic exhaust-type honeycomb bodies (diesel PM filters: DPF) are widely used as exhaust gas purification devices for diesel engines.
The DPF is one in which both ends of the openings of the cells of the ceramic honeycomb structure are alternately plugged. That is, an inflow side cell clogged on the exhaust gas downstream side and an outflow side cell clogged on the exhaust gas upstream side are provided, and the exhaust gas is filtered through the pores of the cell partition walls that partition the inflow side cell and the outflow side cell. Collect particulate matter.
しかし、DPFは、粒子状物質が堆積すると、排ガスの圧力損失が上昇するために内燃機関の出力の低下や燃料消費量を抑えるために、堆積した粒子状物質を除去して再生する必要がある。そこで、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。
However, since the pressure loss of exhaust gas increases when particulate matter accumulates, DPF needs to be regenerated by removing the accumulated particulate matter in order to reduce the output of the internal combustion engine and fuel consumption. . Therefore, a reducing agent such as fuel is added to the exhaust gas, and the exhaust gas is heated by burning with an oxidation catalyst disposed upstream of the DPF.
The accumulated PM is burned by a method such as supplying to DPF.
Forced regeneration of DPF has been done.
ただし、フィルター内の粒子状物質の堆積量が、あるフィルター使用限界値を超えて捕集されている状態においてこの再生制御を行うと、PMの燃焼によってフィルターの局所的な温度や全体の温度が上昇しすぎて、フイルターのクラックや溶損が発生する。これを防止するために、フィルターの圧力損失、吸入空気量、排ガス温度、燃料噴射量、EGR開度、エンジン回転数等を測定してECUにて演算処理を行い、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測を行っている。 However, if this regeneration control is performed when the amount of particulate matter in the filter is collected exceeding a certain filter usage limit value, the local temperature of the filter and the overall temperature will be affected by PM combustion. It rises too much and cracks and melting of the filter occur. In order to prevent this, the pressure loss of the filter, intake air volume, exhaust gas temperature, fuel injection volume, EGR opening, engine speed, etc. are measured and processed by the ECU, and the particulate matter in the filter The amount of sediment is predicted.
一方通常のディーゼルエンジン等の内燃機関では、このフィルター使用限界値に安全率を加味したものを再生制御ポイントとしており、通常
再生制御ポイント（ｇ/L）＝フィルター使用限界値（g/L）×安全係数
ただし安全係数は、０＜安全係数＜1
なので
再生制御ポイント（ｇ/L）<フィルター使用限界値（g/L）
になるように再生制御ポイントを設定している。
On the other hand, in an internal combustion engine such as a normal diesel engine, the regeneration control point is obtained by adding a safety factor to the filter use limit value, and the normal regeneration control point (g / L) = filter use limit value (g / L) × Safety factor However, the safety factor is 0 <safety factor <1
So playback control point (g / L) <filter usage limit (g / L)
The playback control points are set so that
この安全係数は、各自動車メーカーで設定がまちまちで、フィルター内の粒子状物質の堆積量の予測技術の完成度やメーカーの安全に関する指針で決定されている。そしてこの安全係数が１に近いほどフィルターの再生頻度が減り、燃費の悪化が減ることになる。そのため、精度よくフィルター内の粒子状物質の堆積量を予測することが求められている。 This safety factor is set by each automobile manufacturer, and is determined by the degree of perfection of the prediction technology of the amount of particulate matter accumulated in the filter and the manufacturer's safety guidelines. The closer this safety factor is to 1, the lower the frequency of filter regeneration and the worse the fuel consumption. Therefore, it is required to accurately predict the amount of particulate matter deposited in the filter.
粒子状物質の堆積量が再生制御ポイントに達したと判定されたときに、排ガス温度を強制的に上昇させてフィルターの再生が行われる。このため、特許文献１（特開昭59-204747）には、排気ガス間路の対向する側壁に、マイクロ波送信アンテナとマイクロ波受信アンテナとを設置し、その間を流通する黒鉛濃度を測定する方法が記載されている。 When it is determined that the amount of accumulated particulate matter has reached the regeneration control point, the exhaust gas temperature is forcibly increased to regenerate the filter. For this reason, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 59-204747), a microwave transmitting antenna and a microwave receiving antenna are installed on opposite sidewalls of an exhaust gas passage, and the concentration of graphite flowing between them is measured. A method is described.
また、非特許文献１(ＧＥ発表のAdvanced DPF soot sensor：International CTI Forum 2-4 Dec)には、ＤＰＦ容器の入口と出口にそれぞれＲＦ送信アンテナと受信アンテナを設置し、DPFに堆積したスートを検知する方法が記載されている。 In Non-Patent Document 1 (Advanced DPF soot sensor published by GE: International CTI Forum 2-4 Dec), RF transmitting antenna and receiving antenna are installed at the entrance and exit of the DPF container, respectively, and the soot deposited on the DPF is stored. The detection method is described.
特許文献２（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの外壁の中心部に送信アンテナと受信アンテナとを相対向するように取り付けている。そして、送信アンテナから数十ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの電磁波を送信し、フィルターに通し、反対側に取り付けられた受信アンテナで受信し、電磁波の受信強度に基づいてフィルターへの粒子状物質の堆積量を算出する。 In patent document 2 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2009-2276), the transmitting antenna and the receiving antenna are attached to the center part of the outer wall of a DPF filter so as to oppose each other. Then, electromagnetic waves of several tens of GHz to several tens of THz are transmitted from the transmitting antenna, passed through the filter, received by the receiving antenna attached on the opposite side, and the amount of particulate matter deposited on the filter based on the received intensity of the electromagnetic wave Is calculated.
しかし、マイクロ波を用いてスートなどの粒子状物質の堆積量を検出しようとすると、スートの主成分であるカーボン粒子の吸収が大きくない。例えば、非特許文献１のGE社製スートセンサでは、平均値処理など演算処理をしてダイナミックレンジが１５ｄB程度となるが、さらに、実際には、DPFの材質や形状や排ガス管形状、粒径サイズ、粒成分という変動パラメータがあり、十分な感度が得られないという問題があった。 However, when the amount of particulate matter such as soot is detected using microwaves, the absorption of carbon particles, which are the main component of soot, is not large. For example, GE's soot sensor of Non-Patent Document 1 performs arithmetic processing such as average value processing, and the dynamic range becomes about 15 dB. However, in reality, the material and shape of the DPF, the shape of the exhaust gas pipe, and the particle size There is a problem that a sufficient sensitivity cannot be obtained due to a variation parameter called a grain component.
さらに、マイクロ波を用いると、ある程度スートが堆積してくると、吸収感度が悪くなり堆積量２−４ｇ／Ｌの範囲でしか使用することができないという問題もある。DPFのスート堆積量限界としては通常５ｇ/Ｌ以上はあるので、この場合には十分な堆積容量がありながら再生処理をするアルゴリズムしか成立できず、燃費向上という観点から不十分であった。 Furthermore, when microwaves are used, if soot is deposited to some extent, there is a problem that the absorption sensitivity is deteriorated and the soot can be used only within a range of 2-4 g / L. Since the limit of DPF soot accumulation amount is usually 5 g / L or more, in this case, only an algorithm for regeneration treatment can be established with sufficient accumulation capacity, which is insufficient from the viewpoint of improving fuel consumption.
特許文献２（特開２００９−２２７６）では、ＤＰＦフィルターの容器外壁に送信アンテナと受信アンテナとを相対向するように設置し、ミリ波やテラ波を用いてフィルターを横断するように照射することで、フィルター横断面内にある粒子状物質を透過させてその量を測定する。しかし、この測定方法を実際にＤＰＦフィルターに適用すると、ＤＰＦに堆積したスート全体量を測定する場合には、複数の断面を測定しその和を求める必要があり車載用としては複雑な機構とする必要がある。 In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-2276), a transmitting antenna and a receiving antenna are installed on the outer wall of a DPF filter so as to face each other, and irradiation is performed so as to cross the filter using millimeter waves or tera waves. Then, the particulate matter in the cross section of the filter is permeated and the amount thereof is measured. However, when this measurement method is actually applied to a DPF filter, when measuring the total amount of soot deposited on the DPF, it is necessary to measure a plurality of cross sections and obtain the sum thereof, and this is a complicated mechanism for in-vehicle use. There is a need.
本発明の課題は、フィルターにより捕集した粒子状物質の堆積量を電磁波を用いて検出する装置において、検出感度を向上させると共に、検出の信頼性、温度安定性を向上させることである。 An object of the present invention is to improve detection sensitivity and improve detection reliability and temperature stability in an apparatus that detects the amount of particulate matter deposited by a filter using electromagnetic waves.
本発明に係る粒子状物質の検出装置は、
粒子状物質を含む気体から粒子状物質を捕集するフィルター、
このフィルターを収容する容器、
この容器の上流側に設けられ、気体を容器内へと流す上流側配管、
容器の下流側に設けられ、フィルターを通過した後の気体を流す下流側配管、
上流側配管内に設けられ、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を送信する送信アンテナ、
下流側配管内に設けられた電磁波反射部、および
下流側配管に取り付けられ、受信アンテナを内蔵する受信部を備えており、
送信アンテナから送信した電磁波をフィルターに通過させ、電磁波反射部で反射させ、受信アンテナで受信された電磁波の強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量を検出することを特徴とする。
The particulate matter detection device according to the present invention comprises:
A filter that collects particulate matter from gas containing particulate matter,
A container containing this filter,
An upstream pipe provided on the upstream side of the container, for flowing gas into the container;
A downstream pipe that is provided on the downstream side of the container and flows the gas after passing through the filter;
A transmission antenna that is provided in the upstream pipe and transmits electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 10 THz or less;
An electromagnetic wave reflection part provided in the downstream pipe, and a reception part that is attached to the downstream pipe and incorporates a reception antenna,
The electromagnetic wave transmitted from the transmitting antenna is passed through the filter, reflected by the electromagnetic wave reflecting part, and the amount of the particulate matter collected by the filter is detected based on the intensity of the electromagnetic wave received by the receiving antenna. And
本発明の装置は、粒子状物質を含有する気体を流す配管に粒子状物質の捕集用フィルターと、配管内径よりも大きな内径を持つ容器とを設置したタイプにおいて、配管内に送信アンテナと受信アンテナとを設置している。 The apparatus of the present invention is a type in which a filter for collecting particulate matter and a container having an inner diameter larger than the inner diameter of the pipe are installed in a pipe through which a gas containing particulate matter flows, and a transmission antenna and a receiver are installed in the pipe. An antenna is installed.
本装置は、上流側配管内に送信アンテナを設置し、下流側配管内に受信アンテナを設置している。通常、フィルタが設置される容器は上流側、下流側配管よりも内径が大きく、その結合部はテーパ構造となっているために、送信された電磁波は容器内壁に沿ってある程度広がり、フィルター広範囲に電磁波が効果的に照射されるようになり、フィルター全体の粒子状物質堆積量を正確に検知できるはずである。これと同時に、電磁波が容器内壁に沿って閉じ込められた後で受信アンテナに伝達されるので、効率よく受信アンテナで受信できるはずである。 In this apparatus, a transmitting antenna is installed in the upstream pipe, and a receiving antenna is installed in the downstream pipe. Usually, the container in which the filter is installed has an inner diameter larger than that of the upstream and downstream pipes, and the coupling portion has a taper structure. Therefore, the transmitted electromagnetic wave spreads to some extent along the inner wall of the container, and the filter has a wide range. Electromagnetic waves will be radiated effectively, and the amount of particulate matter deposited on the entire filter should be accurately detected. At the same time, since the electromagnetic wave is confined along the inner wall of the container and transmitted to the receiving antenna, it should be able to be efficiently received by the receiving antenna.
しかし、実際には、特許文献１、非特許文献１のようにマイクロ波を使用すると、マイクロ波はカットオフとなり、受信側まで伝搬させることができず、従って配管内に送受信アンテナを設置する方法は採用できない。 However, in actuality, when microwaves are used as in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the microwaves are cut off and cannot be propagated to the receiving side. Cannot be adopted.
このため、本発明者は、ミリ波やテラ波、具体的には３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を使用した。これらは配管内でカットオフとならない上、スートに対して高い吸収係数を有することがわかり、堆積量について０ｇ／Ｌ以上、９ｇ／Ｌ以下まで線形性が高く、センサ感度を0.1ｇ／Ｌまで精度よく検知でき、ダイナミックレンジも例えば２〜４ｇ／Ｌの範囲内で２５ｄBとれることがわかった。 For this reason, the present inventor used millimeter waves or tera waves, specifically, electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 10 THz or less. These are not cut off in the pipes, and have a high absorption coefficient for soot, and have a high linearity from 0 g / L to 9 g / L and a sensor sensitivity of 0.1 g / L. It was found that it could be detected with high accuracy and the dynamic range could be 25 dB within a range of 2 to 4 g / L, for example.
しかし、本発明者が更に検討を進めたところ、次の問題点が判明した。すなわち、上流側配管内に送信アンテナを設置し、ミリ波やテラ波を送信すると、配管から容器にわたってある程度広がり、フィルター広範囲にわたって照射される効果が得られた。電磁波の周波数が高くなると直進性が増すが、スートの吸収が大きくなり堆積量を検知できる。しかし、下流側配管内に受信アンテナを設置するとある程度広がったビームを効率よく受信するのが困難であり、また排ガスの温度変化によっても粒子状物質の受信検出感度が変動することがあった。 However, further investigations by the present inventor have revealed the following problems. That is, when a transmitting antenna is installed in the upstream side pipe and millimeter waves or tera waves are transmitted, the effect of being spread from the pipe to the container to some extent and irradiating the filter over a wide range is obtained. As the frequency of electromagnetic waves increases, straightness increases, but soot absorption increases and the amount of deposition can be detected. However, if a receiving antenna is installed in the downstream pipe, it is difficult to efficiently receive a beam that has spread to some extent, and the reception detection sensitivity of the particulate matter may vary depending on the temperature change of the exhaust gas.
このため、本発明者は、送信アンテナは上流側配管内に設置して容器内でミリ波、テラ波をある程度広がらせてフィルターの広い範囲に電磁波を照射すると共に、下流側配管の外側に受信部を設け、下流側配管の流路には電磁波反射部を設けることで、電磁波を配管外の受信部内の受信アンテナへと向かって反射し、受信することを想到した。これによって、配管外の温度が低い部分にミリ波、テラヘルツ波のレンズを設置し収束させることが可能であり、受信アンテナに効率よく結合でき、さらに低温部に受信器を設置できることから、検出感度の温度変動を防止し、信頼性、温度安定性が向上する。 For this reason, the present inventor has installed the transmitting antenna in the upstream pipe, spreads millimeter waves and tera waves to some extent in the container to irradiate a wide area of the filter with electromagnetic waves, and receives it outside the downstream pipe. It was conceived that the electromagnetic wave is reflected toward the receiving antenna in the receiving part outside the pipe and received by providing an electromagnetic wave reflecting part in the flow path of the downstream pipe. As a result, millimeter-wave and terahertz-wave lenses can be installed and converged at a low temperature outside the pipe, can be efficiently coupled to the receiving antenna, and a receiver can be installed in the low-temperature part. This prevents temperature fluctuations and improves reliability and temperature stability.
送信素子は限定されないが、以下のものが好ましい。
（周波数１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ）
ＧａＡｓやＳｉＧｅなどのＭＭＩＣやガンダイオード。
（５０ＧＨｚ〜１ＴＨｚ）
ＬＮ変調器により高次の光側帯波を発生させ所望の次数の側帯波を取り出し、フォトミキサによりそのビート信号を取り出すことにより上記電磁波を発生する光逓倍方式。この場合、ＬＮ変調器はマッハツェンダー型光変調器や位相変調器、またはこれらの集積型変調器が使用可能である。ＬＮ変調器は、特に限定はないが、特開２００７−７９４６６記載の薄板構造を用いることにより半波長電圧を低減でき、低駆動電圧で電磁波を発生できる。
The transmitting element is not limited, but the following is preferable.
(
MMIC and Gunn diode such as GaAs and SiGe.
(50 GHz to 1 THz)
An optical multiplication method in which a high-order optical sideband is generated by an LN modulator, a desired-order sideband is extracted, and a beat signal is extracted by a photomixer to generate the electromagnetic wave. In this case, a Mach-Zehnder optical modulator, a phase modulator, or an integrated modulator thereof can be used as the LN modulator. Although there is no particular limitation on the LN modulator, the half-wave voltage can be reduced by using the thin plate structure described in JP-A-2007-79466, and electromagnetic waves can be generated with a low driving voltage.
さらに、ドメイン反転構造（QPM：Quasi-Phase-Matching）を形成したＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子やＰＰＬＴ（Periodically
Poled Lithium Tantalate）素子、チェレンコフ放射を利用した光導波路（スラブ構造を含む）素子が使用できる。
（１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）
ドメイン反転構造（QPM：Quasi-Phase-Matching）を形成したＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）素子やＰＰＬＴ（Periodically
Poled Lithium Tantalate）素子、チェレンコフ放射を利用した光導波路（スラブ構造を含む）素子が使用できる。
Furthermore, a PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) element having a domain inversion structure (QPM: Quasi-Phase-Matching) and a PPLT (Periodically)
Poled Lithium Tantalate) elements and optical waveguide (including slab structure) elements using Cherenkov radiation can be used.
(100 GHz to 10 THz)
A PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) element having a domain inversion structure (QPM: Quasi-Phase-Matching) or a PPLT (Periodically)
Poled Lithium Tantalate) elements and optical waveguide (including slab structure) elements using Cherenkov radiation can be used.
受信素子は限定されないが、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＮなどのショットキーダイオード、ボロメータ、焦電効果を利用した素子を例示できる。
Although a receiving element is not limited, Schottky diodes, such as GaAs, InAs, and GaN, a bolometer, and the element using a pyroelectric effect can be illustrated.
粒子状物質とは、気体中に浮遊する性質を持つ物質であればよく、粒径は限定されないが、典型的には１０ｎｍ〜１０μｍである。粒子状物質を構成する物質は特に制限はなく、カーボンを主とするＰＭ（パティキュレート マター）、ハイドロカーボン（HC）、フェライト粉などの磁性体粉末、硫酸塩、硝酸塩を例示できる。 The particulate material may be any material having a property of floating in a gas, and the particle size is not limited, but is typically 10 nm to 10 μm. The substance constituting the particulate matter is not particularly limited, and examples thereof include PM (particulate matter) mainly composed of carbon, magnetic substance powder such as hydrocarbon (HC), ferrite powder, sulfate, and nitrate.
本発明では、周波数３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨＺ以下の電磁波を使用する。周波数をこの範囲内とすることによって、電磁波が配管および容器内壁面に沿って伝搬および拡散し、フィルター広範囲に効率的に照射される上、捕集された粒子状物質にも効率的に吸収されるので、全体の感度を高くすることができる。この観点からは、電磁波の周波数の下限は、５０ＧＨｚが更に好ましく、上限は、３ＴＨｚ、また０．３ＴＨｚが更に好ましい。また、上記電磁波は、コリメートし平行ビームにすることにより、フィルターの影響を受けにくく、粒子状物質をさらに高感度で検知できる。
In the present invention, an electromagnetic wave having a frequency of 30 GHz or more and 10 THZ or less is used. By setting the frequency within this range, the electromagnetic wave propagates and diffuses along the inner wall of the pipe and the container, and the filter is efficiently irradiated over a wide area and is also efficiently absorbed by the collected particulate matter. Therefore, the overall sensitivity can be increased. From this viewpoint, the lower limit of the frequency of the electromagnetic wave is more preferably 50 GHz, and the upper limit is more preferably 3 THz and 0.3 THz. In addition, the electromagnetic wave is collimated into a parallel beam so that it is not easily affected by the filter, and the particulate matter can be detected with higher sensitivity.
フィルターは、粒子状物質を含む気体が流通する容器中に配置されるものである。このフィルターは、本発明で用いる電磁波を透過するもでその透過率が小さいものほどよい。フィルターの形態としては、ハニカム構造体、多孔構造体を例示でき、ハニカム構造体が特に好ましい。また、フィルターの材質は、コージェライト、窒化ケイ素、アルミナ、炭化珪素などのセラミックスが好ましい。 The filter is arranged in a container through which a gas containing particulate matter flows. This filter is better as it transmits the electromagnetic waves used in the present invention and has a smaller transmittance. Examples of the form of the filter include a honeycomb structure and a porous structure, and the honeycomb structure is particularly preferable. The material of the filter is preferably ceramics such as cordierite, silicon nitride, alumina, silicon carbide.
本発明では、送信アンテナは上流側配管内に設けるが、電磁波の送信を行うための素子は配管外に設けられていて良い。 In the present invention, the transmission antenna is provided in the upstream pipe, but the element for transmitting electromagnetic waves may be provided outside the pipe.
電磁波反射部は、フィルターを透過した後の前記電磁波をフィルターの方へと向かって反射すると共に、下流側配管を流れる気体の流れを停止しないものである必要がある。このような機能を果たす限り、特に限定されないが、以下を例示できる。
（１）金属からなるメッシュ
（２）金属からなる多孔質体
（３）絶縁体または半導体（好ましくはセラミックス）からなるメッシュの表面に金属膜をコートしたもの
（４）フィルターの表面に金属膜をコートしたもの
The electromagnetic wave reflection unit needs to reflect the electromagnetic wave that has passed through the filter toward the filter and does not stop the flow of gas flowing through the downstream pipe. Although not particularly limited as long as it fulfills such a function, the following can be exemplified.
(1) Metal mesh (2) Metal porous body (3) Insulator or semiconductor (preferably ceramic) mesh surface coated with metal film (4) Filter surface with metal film Coated
このような金属としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕが好ましい。また、セラミックスとしては、アルミナ、石英、ガラスが好ましい。 As such a metal, Ni, Au, Pt, Au, and Cu are preferable. Moreover, as ceramics, alumina, quartz, and glass are preferable.
また、電磁波反射部には、気体を通過させる気体流通孔が必要であるが、粒子状物質によって孔が詰まると圧力損失が上昇するという問題がある。このような目詰まりは、粒子状物質を捕集することを目的とするフィルターに比べると深刻ではないが、必要に応じて電磁波反射板に付着した粒子状物質を燃焼させ、除去することが好ましい。 Further, the electromagnetic wave reflection part needs a gas flow hole through which gas passes, but there is a problem that pressure loss increases when the hole is clogged with particulate matter. Such clogging is not so serious as compared with a filter intended to collect particulate matter, but it is preferable to burn and remove particulate matter adhering to the electromagnetic wave reflector if necessary. .
本発明では、下流側配管の外側に受信部を取り付け、この受信部の内側空間に受信アンテナを設置する。下流側配管内を伝搬してきた電磁波は、電磁波反射部で反射され、受信部内へと伝搬し、受信部内の受信アンテナによって受信される。下流側配管の外側に設けられた受信部の内側空間は、下流側配管の流路に比べると、温度変化が小さい上、フィルター通過後の微量の粒子状物質の影響も受けにくいので、信頼性、温度安定性が一層向上する。 In the present invention, a receiving unit is attached to the outside of the downstream pipe, and a receiving antenna is installed in the inner space of the receiving unit. The electromagnetic wave that has propagated in the downstream pipe is reflected by the electromagnetic wave reflection unit, propagates into the reception unit, and is received by the reception antenna in the reception unit. The inner space of the receiving section provided outside the downstream pipe is less susceptible to the influence of a small amount of particulate matter after passing through the filter, as compared to the flow path of the downstream pipe. Further, the temperature stability is further improved.
配管の内径は限定されないが、通常は１０〜３００ｍｍであることが多い。また、容器の内径（最大値）は、配管内径よりも大きい。したがって、使用する電磁波は、配管内径Ｄｉに対しカットオフ以下の電気長λｃを有する必要があり、電磁波の周波数は周波数ｆｃ以上にする必要がある。
ｆｃ＝ｃ／λｃ＝ｃ／Ｄｉ（ｃは光速である）
The inner diameter of the pipe is not limited, but is usually 10 to 300 mm in many cases. Further, the inner diameter (maximum value) of the container is larger than the inner diameter of the pipe. Therefore, the electromagnetic wave to be used needs to have an electrical length λc that is equal to or less than the cutoff with respect to the pipe inner diameter Di, and the frequency of the electromagnetic wave needs to be equal to or higher than the frequency fc.
fc = c / λc = c / Di (c is the speed of light)
また、容器の内径（最大値）は、２０ｍｍ以上であることが好ましく、１０００ｍｍ以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the internal diameter (maximum value) of a container is 20 mm or more, and it is preferable that it is 1000 mm or less.
容器は、フィルターを収容する収容部、上流側連結部、下流側連結部を備えていることが好ましい。この場合には、収容部の内径が配管の内径よりも大きい。また、上流側連結部の内径は、収容部から上流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。また、下流側連結部の内径は、収容部から下流側配管へと向かって小さくなっていることが好ましい。 It is preferable that the container is provided with a storage part for storing the filter, an upstream connection part, and a downstream connection part. In this case, the inner diameter of the accommodating portion is larger than the inner diameter of the pipe. Moreover, it is preferable that the internal diameter of an upstream connection part is small toward an upstream piping from an accommodating part. Moreover, it is preferable that the internal diameter of a downstream connection part is small toward the downstream piping from an accommodating part.
本発明では、受信アンテナで受信した電磁波の強度を検出し、この強度に基づいて、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量を演算する。この具体的方法は限定されないが、好ましくは、予め決められた強度と堆積量との関係式に対して、電磁波受信手段で検出された電磁波強度を代入し、粒子状物質の堆積量を演算する。 In the present invention, the intensity of the electromagnetic wave received by the receiving antenna is detected, and the amount of accumulated particulate matter collected by the filter is calculated based on this intensity. Although this specific method is not limited, Preferably, the deposited amount of the particulate matter is calculated by substituting the electromagnetic wave intensity detected by the electromagnetic wave receiving means for the relational expression between the predetermined strength and the deposited amount. .
フィルターそれ自体が電磁波をある程度吸収することから、ブランクとして、粒子状物質が捕集されていない状態で受信強度を測定しておく。そして、粒子状物質が捕集された状態における受信強度との差および電磁波吸収係数から、粒子状物質の堆積量を算出する。 Since the filter itself absorbs electromagnetic waves to some extent, the reception intensity is measured as a blank in a state where particulate matter is not collected. Then, the accumulation amount of the particulate matter is calculated from the difference from the reception intensity in the state where the particulate matter is collected and the electromagnetic wave absorption coefficient.
おな、電磁波吸収係数は、電磁波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。 The electromagnetic wave absorption coefficient is expressed by the logarithm of the electromagnetic wave transmittance, and the transmittance is a ratio of the radiation output to the incident output.
本発明では、排ガス浄化装置に、フィルター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い。このとき、排ガス中に還元剤を直接的に供給してよく、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こともできる。フィルターの温度が還元剤の発火温度より高くなっていれば、還元剤がフィルター内で燃焼し、燃焼熱によってフィルターが例えば 600℃以上の高温となることで、フィルターを再生することができる。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。フィルターの上流側に酸化触媒を配置したり、フィルターに触媒層を形成することもできる。 In the present invention, it is preferable that the exhaust gas purification device further includes a reducing agent supply means for supplying a reducing agent into the exhaust gas upstream of the filter. At this time, the reducing agent may be directly supplied into the exhaust gas, and the reducing agent may be indirectly supplied into the exhaust gas by post-injecting the reducing agent into the cylinder. If the temperature of the filter is higher than the ignition temperature of the reducing agent, the reducing agent burns in the filter, and the filter can be regenerated by heating the filter to a high temperature of, for example, 600 ° C. or higher. Examples of the reducing agent supply means include a pump and an injector. An oxidation catalyst can be disposed upstream of the filter, or a catalyst layer can be formed on the filter.
還元剤供給手段を用いた場合には、フィルターに捕集された粒子状物質の堆積量の検出値に基づいて還元剤供給手段の駆動を制御する、制御手段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。 When the reducing agent supply means is used, it is desirable to provide a control means for controlling the driving of the reducing agent supply means based on the detected value of the accumulation amount of the particulate matter collected by the filter. As a result, the reducing agent supply means can be driven at an optimal timing, so that fuel efficiency is improved.
図１に排ガス浄化装置を模式的に示す。ディーゼルエンジン１の排気マニホールドの排出管２が上流側配管３を介して容器５に連結されている。容器５の下流側に下流側配管４が設けられている。図２に示すように、容器５は、フィルターを収容する内径一定の収容部５ｂ、上流側連結部５ａおよび下流側連結部５ｃを備えている。
FIG. 1 schematically shows an exhaust gas purification device. A discharge pipe 2 of an exhaust manifold of the diesel engine 1 is connected to a
容器５の収容部５ｂ内にはフィルター１５が収容されている。フィルター１５は、多数の細孔が規則的に形成された多孔質セラミックスのハニカム構造体である。この細孔の一部は排ガス下流側で目詰めされ、流入側セルを形成しており，残りは、排ガス上流側で目詰めされ、流出側セルを形成している。流入側セルと流出側セルとは交互に隣接するように形成されており、これによってハニカム形状のウォールフロー構造をなしている。
A
上流側配管３の流路３ａには送信アンテナ１１が設置されている。配管３の外壁には送信素子部６が取り付けられており、送信アンテナ１１は素子部６に対して連結されている。また、下流側配管４内の流路４ａには電磁波反射部１０が設置されている。電磁波反射部１０の近傍において、配管４の外側に受信部７を設け、受信部７の内側空間に受信アンテナ１６を設置する。各素子部６、７は、それぞれ、配線１２を介して制御部８に連結されている。
A transmission antenna 11 is installed in the
エンジン１からの排ガスは、上流側配管３の流路３ａを矢印Ａのように通過し、容器５内に入り、フィルター１５を通過して矢印Ｂのように下流側配管４の流路４ａ内を流れ、矢印Ｃのように排出される。フィルター１５内には粒子状物質が捕集され、堆積する。
The exhaust gas from the engine 1 passes through the
本発明に従い、制御装置８からの信号Ｅにより、上流側配管の流路４ａ内の送信アンテナ１１から電磁波を矢印Ｄ１のように送信する。電磁波は、配管４の内壁面および上流側連結部５ａの内壁面に沿って伝搬し、フィルター１５の全面にわたって照射される。そしてフィルター１５内で、フィルター材質および粒子状物質による吸収減衰を受け、次いで下流側連結部５ｃの内壁面に沿って伝搬し、矢印Ｄ１のように上流側配管３の流路３ａ内を伝搬する。そして、流路４ａ内の電磁波反射部１０で反射され、受信部７の内側空間を矢印Ｄ２のように伝搬し、受信アンテナ１６によって受信される。
In accordance with the present invention, an electromagnetic wave is transmitted from the transmitting antenna 11 in the
この受信信号を矢印Ｆのように制御部８に送信し、制御部８で処理した後、矢印Ｇのように、送信電磁波の情報と受信電磁波の情報とを演算装置９に送信する。演算装置９では、送信電磁波の強度を、受信電磁波の強度と比較すると共に、電磁波強度と堆積量との関係を示す検量線の情報を参照し、堆積量を演算する。
The received signal is transmitted to the
得られた堆積量の演算結果を矢印Ｈのように出力することで利用可能とする。例えば、堆積量がしきい値を超えた時点でフィルター１５を洗浄したり、交換の信号を出すことができる。
The calculation result of the obtained accumulation amount is output as indicated by an arrow H, and can be used. For example, the
本発明によれば、上流側配管内の送信アンテナ１１から送信された電磁波Ｄ１は容器５内壁に沿って広がり、フィルター１５の全体に電磁波が効果的に照射されるようになり、フィルター全体の粒子状物質堆積量を正確に検知できる。これと共に、下流側配管４の外側に受信部７を設け、下流側配管４の流路４ａに電磁波反射部１０を設けることで、電磁波Ｄ２を配管外の受信部７内の受信アンテナ１６へと向かって反射し、受信する。これによって、検出感度の変動を防止し、信頼性、温度安定性が向上する。
According to the present invention, the electromagnetic wave D1 transmitted from the transmitting antenna 11 in the upstream pipe spreads along the inner wall of the
１ エンジン ３ 上流側配管 ４ 下流側配管 ５ 容器 ５ａ 上流側連結部 ５ｂ 収容部 ５ｃ 下流側連結部 ６ 送信素子部 ７ 受信素子部 ８ 制御部 ９ 演算部 １０ 電磁波反射部 １１ 送信アンテナ １５ フィルター １６ 受信アンテナ Ａ、Ｂ、Ｃ 排ガスの流れ Ｄ１、Ｄ２ 電磁波
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 3 Upstream side piping 4
Claims (6)
このフィルターを収容する容器、
この容器の上流側に設けられ、前記気体を前記容器内へと流す上流側配管、
前記容器の下流側に設けられ、前記フィルターを通過した後の気体を流す下流側配管、
前記上流側配管内に設けられ、３０ＧＨｚ以上、１０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を送信する送信アンテナ、
前記下流側配管内に設けられた電磁波反射部、および
前記下流側配管に取り付けられ、受信アンテナを内蔵する受信部を備えており、
前記送信アンテナから送信した前記電磁波を前記フィルターに通過させ、前記電磁波反射部で反射させ、前記受信アンテナで受信された前記電磁波の強度に基づいて、前記フィルターに捕集された前記粒子状物質の量を検出することを特徴とする、粒子状物質の堆積量検出装置。 A filter for collecting the particulate matter from a gas containing the particulate matter;
A container containing this filter,
An upstream pipe provided on the upstream side of the container, for flowing the gas into the container;
A downstream pipe which is provided on the downstream side of the container and flows the gas after passing through the filter;
A transmitting antenna that is provided in the upstream pipe and transmits electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 10 THz or less;
An electromagnetic wave reflecting portion provided in the downstream side pipe, and a receiving part that is attached to the downstream side pipe and includes a receiving antenna;
Passing the electromagnetic wave transmitted from the transmitting antenna through the filter, reflecting it by the electromagnetic wave reflecting section, and based on the intensity of the electromagnetic wave received by the receiving antenna, the particulate matter collected by the filter An apparatus for detecting the amount of accumulated particulate matter, wherein the amount of particulate matter is detected.
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| JP2009074076A JP2010223169A (en) | 2009-03-25 | 2009-03-25 | Accumulation amount detection device for particulate |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103091259A (en) * | 2013-01-30 | 2013-05-08 | 大连理工大学 | Terahertz method for online detecting constituents and thickness of dust on first wall of tungsten of Tokamak |
| JP2018150855A (en) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 富士通株式会社 | Exhaust emission control device, automobile and management system |
| WO2018219736A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Continental Automotive Gmbh | Exhaust gas pipe assembly for an internal combustion engine |
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2009
- 2009-03-25 JP JP2009074076A patent/JP2010223169A/en not_active Withdrawn
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