JPH1113455A - 目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、エンジン運転状態に応じてパティ
キュレート発生量を高精度に検出し，堆積量に応じて適
正にフィルタ再生を行って燃費を低減する目詰まり検出
装置を備えたディーゼルパティキュレートフィルタ装置
を提供する。 【解決手段】 コントローラ１０は，パティキュレート
によるフィルタ１８，２０の目詰まり状態を，時間経過
に応じて変化するエンジン運転状態を検出するセンサ１
４，１５，１６，２３からの検出信号によって，予め測
定して決定した単位時間当たりのパティキュレート発生
量を積算し，積算されたパティキュレートの捕集量が所
定値に達したことによって判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，ディーゼルエン
ジンから排出される排気ガス中のパティキュレートを捕
集して該パティキュレートを加熱焼却する自己再生機能
を有する目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキ
ュレートフィルタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に，ディーゼルエンジンから排出さ
れる排気ガス中のパティキュレートの大部分は，カーボ
ンと炭化水素（ＨＣ）の合成物であり，その大きさは，
通常，数μｍ〜数十μｍである。ところで，ディーゼル
パティキュレートフィルタ装置で捕集されたパティキュ
レートは，酸素が存在して約６００℃以上に加熱される
と，酸素と反応して容易に燃焼して焼却できるが，その
ためには熱源が必要であり，排気ガス自信を熱源として
は温度が不十分であり，パティキュレートを完全に燃焼
させることができない。

【０００３】従来のディーゼルパティキュレートフィル
タ装置は，排気通路にフィルタが設けられ，排気ガス中
のパティキュレートを効率良く捕集し，ある程度の時間
が経過してフィルタにパティキュレートが堆積してフィ
ルタが目詰まり状態になった時に，加熱手段を働かせて
フィルタに捕集されているパティキュレートを加熱焼却
し，フィルタの再生を行うものである。一般に，ディー
ゼルパティキュレートフィルタ装置は，フィルタの面積
が大きく構成され，フィルタの前面部等にパティキュレ
ートが堆積されて捕集され，その堆積したパティキュレ
ートを加熱焼却するため，フィルタに対して加熱手段が
設けられている。

【０００４】例えば，実開平１−１４４４２７号公報に
開示されたディーゼルパティキュレートフィルタ装置
は，排気ガスをフィルタ本体に通し，該フィルタ本体で
排気ガス中のカーボン，ＨＣ等のパティキュレートを捕
集し，フィルタ本体にパティキュレートが堆積して目詰
まりした場合に，フィルタ本体に排気ガスを流すのを遮
断し，別のフィルタ本体に排気ガスを流すように切り換
え，目詰まりしたフィルタ本体の下流側から空気を送り
込み，フィルタ本体を加熱して目詰まりしているパティ
キュレートを加熱焼却するものである。

【０００５】また，特開平６−１２３２１６号公報に
は，ディーゼルパティキュレートフィルタの異常検出装
置が開示されている。該異常検出装置は，ディーゼルエ
ンジンの回転数を計測する回転検知手段，フィルタ素子
に作用する圧力を計測する圧力検知手段，及び計測され
た回転数と圧力に基づいてフィルタ素子の状態を識別す
る識別回路を有している。識別回路は，リセット後に積
算したディーゼルエンジンの通算運転時間とその時の回
転数とに基づいて圧力の期待値を求める基準値回路と，
該期待値にその時の圧力を比較して，該期待値の許容範
囲に満たない場合に異常検知信号を出力する比較回路と
を有している。

【０００６】更に，特開昭６０−８５２１４号公報に
は，内燃機関用フィルタ再生装置が開示されている。該
フィルタ再生装置は，排気管に設けられた排気中のパテ
ィキュレートを捕集するフィルタ，フィルタの上流側と
下流側に設けられた圧力センサ，圧力センサの出力の交
流変動成分をそれぞれ分離する電気的フィルタ，各電気
的フィルタの出力の比を演算する演算回路，フィルタを
再生する再生機構を備え，演算回路の出力に基づいて再
生機構を動作させるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，ディー
ゼルパティキュレートフィルタ装置では，フィルタの目
詰まり状態を検出するのに，その状態の検出精度が問題
になる。フィルタの目詰まり状態の判定検出時期が早過
ぎると，加熱手段によるフィルタに対する加熱回数が不
必要に増加し，加熱手段を働かせるための電力等のエネ
ルギの消費が増加すると共に，パティキュレートが余り
堆積していない時にでもフィルタを加熱することになっ
てフィルタの耐久性を低下させることになる。特に，デ
ィーゼルパティキュレートフィルタ装置に設けた加熱手
段をバーナや外部電力によって構成していないタイプで
は，エンジンに設けている交流発電機やバッテリからの
電力供給になるので，エンジンの燃費の悪化を招くこと
になる。また，フィルタの目詰まり状態の検出時期が遅
過ぎると，フィルタへのパティキュレートの堆積が多過
ぎてエンジンの排気圧損失が増加することになり，結果
的に，燃費の悪化を招くことになる。

【０００８】一般に，車両等の移動体では，電気エネル
ギはバッテリから供給されるので，該バッテリからの電
力で通電金網等の加熱ヒータに通電してフィルタに捕集
されているパティキュレートを加熱するには電気エネル
ギが不足することになる。そこで，ディーゼルパティキ
ュレートフィルタ装置として，パティキュレートの加熱
焼却時期を適正にコントロールし，加熱手段への通電す
る期間を適正に低減させ，加熱手段へ供給する電力を最
小限に抑えることができ，電力消費を節減でき，燃費を
低減できることが考えられる。また，上記特開平６−１
２３２１６号公報や特開昭６０−８５２１４号公報に開
示されたディーゼルパティキュレートフィルタ装置で
は，フィルタの目詰まり状態の検出が，車両の走行に従
ってエンジン回転数や負荷が刻々と変動し，また，排気
通路に設けられたフィルタの目詰まり状態が排気管等の
熱容量により，排気ガス流量が変化し，フィルタ素子に
作用する圧力が変動するため，フィルタの目詰まり状態
の検出の判定に精度を要求することができないものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の問題を解決することであり，排気ガス中のパティキュ
レートをフィルタで捕集するに当たってフィルタの目詰
まり状態をエンジンの作動状態即ち運転状態に応答して
コントローラで積算して目詰まり時期を検出し，パティ
キュレート発生量即ちフィルタへの所定のパティキュレ
ート堆積量に応答して加熱手段を働かせ，パティキュレ
ートを加熱焼却し，加熱手段で消費する電力を低減して
燃費を向上させることができる目詰まり検出装置を備え
たディーゼルパティキュレートフィルタ装置を提供する
ことである。

【００１０】この発明は，ディーゼルエンジンの排気管
に連通する排気ガス通路，該排気ガス通路に配置された
耐熱性のフィルタ，前記フィルタに対して配置されたパ
ティキュレートを加熱焼却する加熱手段，及び前記フィ
ルタに捕集されたパティキュレートによる前記フィルタ
の目詰まり状態に応答して前記加熱手段を働かせて前記
パティキュレートを加熱焼却する制御を行うコントロー
ラを具備し，前記コントローラは，前記パティキュレー
トによる前記フィルタの目詰まり状態を，時間経過に従
って変化するエンジン運転状態を検出するセンサからの
検出信号によって，予め測定して決定された単位時間当
たりのパティキュレート発生量を基にしてパティキュレ
ート発生量を積算し，積算された前記パティキュレート
発生量が所定値に達したことによって判定することを特
徴とする目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキ
ュレートフィルタ装置に関する。

【００１１】また，前記エンジン運転状態を検出する前
記センサは，エンジン回転速度と燃料流量とを検出する
センサから構成されているものである。

【００１２】更に，前記エンジン運転状態を検出する前
記センサは，吸気圧を検出する吸気圧センサと吸気温度
を検出する温度センサとから構成され，前記パティキュ
レートによる前記フィルタの目詰まり状態は前記吸気圧
センサと前記温度センサによって検出された吸気圧と吸
気温度に応答して補正されるものである。

【００１３】この発明によるディーゼルパティキュレー
トフィルタ装置は，上記のように構成されているので，
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートそ
のものの量を吸気圧，吸気温度，エンジン回転速度及び
燃料噴射量を検出してコントローラによって単位時間毎
に計算し，逐次に発生したパティキュレート発生量を積
算し，フィルタの目詰まり時期を決定し，フィルタへの
パティキュレートの堆積量が所定値に達した時に加熱手
段を働かせてパティキュレートを加熱焼却し，フィルタ
を再生することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキュ
レートフィルタ装置の実施例を説明する。図１はこの発
明による目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキ
ュレートフィルタ装置を組み込んだディーゼルエンジン
の一実施例を示す概略系統図，及び図２はエンジン運転
条件におけるパティキュレート発生量を測定するための
ディーゼルエンジンの回転速度と燃料流量との関係を示
すグラフである。

【００１５】このディーゼルパティキュレートフィルタ
装置を組み込んだディーゼルエンジン１は，例えば，多
気筒エンジンであり，エアフィルタ１３を通じて取り入
れられた空気即ち吸気が吸気通路１２から吸気マニホル
ド１１を通じて各気筒の燃焼室へ供給され，各燃焼室に
は燃料噴射ポンプ９の作動によって燃料が燃料供給通路
２２を通じて燃料噴射ノズル１７から噴射され，また，
各燃焼室で発生した排気ガスが排気マニホルド２で集合
され，集合された排気ガスが排気ガス通路３を通じて排
出される。

【００１６】排気ガス通路３は，その途中が一対の排気
ガス通路４，５に分岐されている。排気ガス通路３から
の排気ガスをいずれか一方の排気ガス通路４又は５に流
すように，分岐部にはコントローラ１０の指令で切り換
えられる切換弁８が設けられている。各排気ガス通路
４，５には，ディーゼルパティキュレートフィルタ６，
７がそれぞれ配置されている。ディーゼルパティキュレ
ートフィルタ６，７には，排気ガス通路４，５にそれぞ
れ組み込まれたケーシング内にそれぞれ配置された排気
ガスを浄化する耐熱性のフィルタ１８，２０，及び加熱
手段を構成する加熱ヒータ１９，２１が設けられてい
る。ディーゼルパティキュレートフィルタ６，７を通過
した浄化された排気ガスは，排気ガス通路４，５から排
出され，排気ガス通路３に集合されて大気等の外部へ排
出される。

【００１７】このディーゼルパティキュレートフィルタ
装置は，吸気通路１２に設けられた吸気の温度Ｔを検出
する吸気温度センサ１６，及び吸気通路１２に設けられ
た吸気圧Ｐを検出する吸気圧センサ１５を有している。
更に，このディーゼルパティキュレートフィルタ装置
は，エンジン１の回転速度Ｒを検出するエンジン回転セ
ンサ１４，及び燃料噴射ポンプ９から燃料噴射ノズル１
７を通じて燃焼室に噴射される燃料噴射量即ち燃料流量
Ｆを検出する燃料流量センサ２３を有している。燃料流
量センサ２３は，燃料噴射ポンプ９に設けられ，燃料噴
射ポンプ９から供給された燃料流量Ｆを直接測定して検
出することができる。

【００１８】このディーゼルパティキュレートフィルタ
装置において，コントローラ１０は，切換弁８をディー
ゼルパティキュレートフィルタ６又は７のいずれか一方
に排気ガスを流すように切り換える。コントローラ１０
は，排気ガスが流れる方のフィルタ１８又は２０に堆積
したパティキュレート堆積量即ち発生量をエンジン運転
状態に応答して計算し，フィルタ１８又は２０のパティ
キュレートの堆積量が所定量に達した時に，切換弁８を
切り換え，他方のフィルタ１８又は２０に排気ガスを流
すと共に，パティキュレートが堆積した方のフィルタ１
８又は２０の加熱ヒータ１９又は２１に通電し，フィル
タ１８又は２０に堆積したパティキュレートを加熱焼却
する制御を行う。

【００１９】このディーゼルパティキュレートフィルタ
装置は，フィルタ１８，２０に捕集されたパティキュレ
ートによるフィルタ１８，２０の目詰まり状態は，次の
ようにして検出することができる。コントローラ１０
は，パティキュレートによるフィルタ１８，２０の目詰
まり状態を，特に，エンジン作動状態を検出する各セン
サ１４，１５，１６，２３からの検出信号によって，予
め測定して決定されたパティキュレート発生量を積算
し，積算されたパティキュレートの捕集量が所定値に達
したことによって判定するものである。このディーゼル
パティキュレートフィルタ装置では，エンジン運転状態
として，エンジン回転速度Ｒ，燃焼室への燃料噴射量
Ｆ，吸気圧Ｐ及び吸気温度Ｔを検出するように構成され
ている。

【００２０】一般的に，ディーゼルエンジン１から排出
される排気ガス中のパティキュレートの発生量Ｘは，吸
気圧Ｐと吸気温度Ｔとエンジン回転速度Ｒ，燃料流量Ｆ
及び燃料の噴射タイミングによって異なるものである。
市販されているディーゼルエンジンは，これらの関係が
既に測定され，特に，ＮＯ_X ，ＣＯ，スモーク等の発生
量が最小になるように，燃料噴射タイミングが設定され
ている。従って，エンジン回転速度Ｒと燃料流量Ｆが変
化すれば，それらの値をコントローラ１０に入力して計
算させれば，パティキュレートの発生量Ｘが計算される
ことになる。通常，エンジンのベンチ試験では，吸気を
標準状態（気圧：７６０ｍｍＨｇ，温度：２０℃，湿
度：６５％）にしてパティキュレートを測定する。吸気
が標準状態でもエアクリーナ通過の際，抵抗や吸気管か
らの受熱により，吸気圧及び吸気温度が標準状態と同一
の値にならず，異なった値となる。そこで，以下の記載
では，大気の状態が標準状態の時に測定される吸気圧を
Ｐ，吸気温度をＴとした場合に，大気の状態が標準状態
以外の場合の吸気圧をＰ₁ ，吸気温度をＴ₁ として区別
して説明する。

【００２１】即ち，ディーゼルエンジン１において，燃
焼室から排出される排気ガス中に含まれているパティキ
ュレート発生量Ｘを，大気の状態が標準状態（吸気圧
Ｐ，吸気温度Ｔ）の時の単位時間当たりの発生量とすれ
ば，その値は，エンジン回転速度Ｒとエンジン負荷即ち
燃料流量Ｆとによって予め測定されている。図２に示す
ように，横軸にエンジン回転速度Ｒをとり，縦軸に燃料
流量Ｆをとった場合に，その測定点は無限になるので，
いくつかの単位当たりの枡目，例えば，エンジン回転速
度Ｒを１０区画（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ
及びＪ）に区切り，燃料流量Ｆを１０区画（ａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ及びｊ）に区切る。大気の
状態が標準状態の時（吸気圧Ｐ，吸気温度Ｔ）のエンジ
ン回転速度Ｒと燃料流量Ｆとにおける枡目（Ａａ，Ａ
ｂ，──Ｆｅ，Ｆｆ，──，Ｊｉ，Ｊｊ）毎における単
位時間におけるパティキュレート発生量を各枡目に対応
した値（ＸＡａ，ＸＡｂ，──ＸＦｅ，ＸＦｆ，──，
ＸＪｉ，ＸＪｊ）としてベンチ試験によって予め測定し
ておく。コントローラ１０は，単位時間あたりのエンジ
ンの運転状態におけるエンジン回転速度Ｒと燃料流量Ｆ
に対応する１個の枡目（Ａａ，Ａｂ，──Ｆｅ，Ｆｆ，
──，Ｊｉ又はＪｊ）に対応したパティキュレート発生
量（ＸＡａ，ＸＡｂ，──ＸＦｅ，ＸＦｆ，──，ＸＪ
ｉ，ＸＪｊ）の値を記憶し，エンジン運転期間にそれら
の値を積算することによって積算値を計算し，その値を
パティキュレートの合計の発生量ΣＸとしてコントロー
ラ１０のメモリーに記憶させておけば，あるエンジン運
転条件におけるパティキュレートの合計の発生量ΣＸを
コントローラ１０から出力することができる。

【００２２】更に，ディーゼルエンジン１では，真の単
位時間当たりのパティキュレート発生量Ｙはエンジン回
転速度Ｒと燃料流量Ｆの他の運転条件として，吸気圧Ｐ
₁ と吸気温度Ｔ₁ とによって異なるので，真の単位時間
当たりのパティキュレートの発生量Ｙを吸気圧Ｐ₁ と吸
気温度Ｔ₁ とで補正する。即ち，パティキュレートの発
生量は，燃焼に寄与する酸素の流量に密接に関係してい
る。例えば，吸気温度Ｔ₁ が高いと，吸気即ち空気の密
度は低くなり，結果的に酸素の量が低減し，そのためス
モーク即ちパティキュレートの発生量が増加する。ま
た，吸気圧Ｐ₁ が高いと，吸気即ち空気の密度が高くな
り，酸素の量が増加し，燃焼が盛んになってスモーク即
ちパティキュレートの真の発生量Ｙが低減する。これら
の吸気温度Ｔや吸気圧Ｐの運転条件を変化させた時に，
所定のエンジンについてパティキュレートの発生量の増
減が如何なる値になるかをベンチ試験において計測し，
それらの計測されたパティキュレート発生量の増減を，
大気の状態が標準状態（吸気圧Ｐ，吸気温度Ｔ）の時の
パティキュレート発生量Ｘの係数，即ち，吸気温度補正
係数ｋ_IT及び吸気圧補正係数ｋ_IPとして求めておく。そ
れらの係数ｋ_IT，ｋ_IPを，コントローラ１０のメモリー
に記憶させておき，コントローラ１０がパティキュレー
ト発生量Ｘを計算する時に乗じるように設定しておけ
ば，真の単位時間当たりのパティキュレート発生量Ｙを
高精度に測定することができる。

【００２３】このディーゼルパティキュレートフィルタ
装置は，上記のように，コントローラ１０によって大気
の状態が標準状態（吸気圧Ｐ，吸気温度Ｔ）の時の単位
時間当たりのパティキュレート発生量Ｘが計算されるの
で，パティキュレートによるフィルタ１８，２０の目詰
まり状態は，吸気圧センサ１５によって検出された吸気
圧Ｐ₁ と吸気温度センサ１６によって検出された吸気温
度Ｔ₁ に応答して補正されるように構成することができ
る。即ち，このディーゼルパティキュレートフィルタ装
置は，上記の吸気圧Ｐ₁ と吸気温度Ｔ₁ とによって大気
の状態が標準状態（吸気圧Ｐ，吸気温度Ｔ）の時の単位
時間当たりのパティキュレートの発生量Ｘを補正するこ
とによって，フィルタ１８，２０の目詰まり状態を高精
度に検出することができる。ディーゼルエンジン１で
は，吸気圧Ｐ₁ に応じて真の単位時間当たりのパティキ
ュレートの発生量Ｙが異なるものであり，吸気圧補正係
数をｋ_IPとする。また，吸気温度Ｔに応じて真の単位時
間当たりのパティキュレートの発生量Ｙは異なるもので
あり，吸気温度補正係数をｋ_ITとすると，真の単位時間
当たりのパティキュレート発生量Ｙ（ｍｍｇ）は，次の
とおりである。即ち，Ｙ＝Ｘ×ｋ_IP×ｋ_ITである。

【００２４】上記のように，コントローラ１０は，エン
ジン回転速度Ｒとエンジン負荷即ち燃料流量Ｆとを測定
することによって，大気の状態が標準状態（吸気圧Ｐ，
吸気温度Ｔ）の時のエンジン運転状態における単位時間
辺りのパティキュレート発生量Ｘ（ｍｍｇ）を計算する
ことができ，それらの値に吸気圧Ｐ₁ 及び吸気温度Ｔ₁
から予め求めておいた吸気温度補正係数ｋ_IT及び吸気圧
補正係数ｋ_IPを乗じて高精度に真の単位時間辺りのパテ
ィキュレート発生量Ｙに補正する。コントローラ１０
は，それらを時間の経過に応じて積算することによっ
て，真の単位時間辺りのパティキュレート発生量Ｙを積
算した発生量ΣＹがフィルタ１８，２０の目詰まりを起
こすパティキュレートの所定量に達した時を計算し，そ
の時をフィルタ１８，２０の目詰まり状態であると判定
する制御を行う。上記のように，コントローラ１０は，
エンジン回転センサ１４からのエンジン回転速度Ｒと燃
料流量センサ２３からの燃料流量Ｆとに基づいて，エン
ジン１から排出されるパティキュレートの発生量ΣＹを
高精度に計算することができる。

【００２５】

【発明の効果】この発明による目詰まり検出装置を備え
たディーゼルパティキュレートフィルタ装置は，上記の
ように構成されているので，車両等の移動体に使用され
た場合には，パティキュレートを加熱焼却する加熱手段
に電力を供給する時に，ディーゼルエンジンで駆動され
る発電機や車両に搭載したバッテリから供給することに
なるが，パティキュレートの加熱焼却時期を適正にコン
トロールでき，加熱手段への通電する期間が適正に低減
され，加熱手段へ供給する電力を最小限に抑えることが
でき，電力消費を節減でき，エンジンの燃費悪化を低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による目詰まり検出装置を備えたディ
ーゼルパティキュレートフィルタ装置を組み込んだディ
ーゼルエンジンの一実施例を示す概略系統図である。

【図２】エンジン運転条件におけるパティキュレート発
生量を測定するためのディーゼルエンジンの回転速度と
燃料流量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ディーゼルエンジン ２ 排気マニホルド ３，４，５ 排気ガス通路 ６，７ ディーゼルパティキュレートフィルタ ８ 切換弁 ９ 燃料噴射ポンプ １０ コントローラ １１ 吸気マニホルド １２ 吸気通路 １３ エアフィルタ １４ エンジン回転センサ １５ 吸気圧センサ １６ 吸気温度センサ １７ 燃料噴射ノズル １８，２０ フィルタ １９，２１ 加熱ヒータ ２２ 燃料通路 ２３ 燃料流量センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンの排気管に連通する
   排気ガス通路，該排気ガス通路に配置された耐熱性のフ
   ィルタ，前記フィルタに対して配置されたパティキュレ
   ートを加熱焼却する加熱手段，及び前記フィルタに捕集
   されたパティキュレートによる前記フィルタの目詰まり
   状態に応答して前記加熱手段を働かせて前記パティキュ
   レートを加熱焼却する制御を行うコントローラを具備
   し，前記コントローラは，前記パティキュレートによる
   前記フィルタの目詰まり状態を，時間経過に従って変化
   するエンジン運転状態を検出するセンサからの検出信号
   によって，予め測定して決定された単位時間当たりのパ
   ティキュレート発生量を基にしてパティキュレート発生
   量を積算し，積算された前記パティキュレート発生量が
   所定値に達したことによって判定することを特徴とする
   目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキュレート
   フィルタ装置。
2. 【請求項２】 前記エンジン運転状態を検出する前記セ
   ンサはエンジン回転速度と燃料流量とを検出するセンサ
   から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキュレート
   フィルタ装置。
3. 【請求項３】 前記エンジン運転状態を検出する前記セ
   ンサは吸気圧を検出する吸気圧センサと吸気温度を検出
   する温度センサとから構成され，前記パティキュレート
   による前記フィルタの目詰まり状態は前記吸気圧センサ
   と前記温度センサによって検出された吸気圧と吸気温度
   に応答して補正されることを特徴とする請求項２に記載
   の目詰まり検出装置を備えたディーゼルパティキュレー
   トフィルタ装置。