JP2016070678A

JP2016070678A - 診断装置

Info

Publication number: JP2016070678A
Application number: JP2014196580A
Authority: JP
Inventors: 正内山; Tadashi Uchiyama; 直人村澤; Naoto Murasawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP6409452B2; WO2016047529A1

Abstract

【課題】ＰＭセンサの故障を早期且つ高精度に検出する。
【解決手段】内燃機関１００の排気通路１１０に配置されて排気中のＰＭを捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材３２，３３を設け、電極部材３２，３３間の静電容量に基づいて排気中のＰＭ量を推定するＰＭ量推定演算部４２を含むＰＭセンサ１０と、排気通路１１０に設けられて排気温度を検出する排気温度センサ２５０と、電極部材３２，３３間の静電容量と排気温度センサ２５０のセンサ値とを比較して、ＰＭセンサ１０の異常を判定するＰＭセンサ異常判定部４３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、診断装置に関し、特に、排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサの診断装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。

このような電気抵抗型ＰＭセンサの診断装置として、センサ再生期間における電極間の電気抵抗値を予め取得したセンサ正常時の値と比較することで、ＰＭセンサの故障を検知するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、電気抵抗型ＰＭセンサの診断装置として、二個のＰＭセンサの再生時間を互いに比較し、これらセンサの再生時間の差が所定値よりも大きい場合に故障と判定するものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１２−８３２１０号公報特開２０１４−１５９１４号公報特開２００９−１４４５１２号公報

ところで、上述したセンサ再生期間の電気抵抗値を比較する手法や、二個のセンサの再生時間を比較する手法では、診断の実行がセンサ再生期間に限定されるため、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化等を早期に検知できない可能性がある。また、二個のＰＭセンサの再生時間を比較する手法では、何れのＰＭセンサに故障が発生しているか判別できない課題もある。

開示の診断装置は、ＰＭセンサの故障を早期且つ高精度に検出することを目的とする。

開示の診断装置は、内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設け、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を含む第１センサと、前記排気通路に設けられて排気温度を検出する第２センサと、前記一対の電極部材間の静電容量と前記第２センサのセンサ値とを比較して、前記第１センサの異常を判定する異常判定手段とを備える。

開示の診断装置によれば、ＰＭセンサの故障を早期且つ高精度に検出することができる。

第一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。第一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。第一実施形態に係る診断装置の電子制御ユニットを示す機能ブロック図である。第一実施形態に係るＰＭセンサのセンサ再生を説明する図である。エンジンの燃料噴射停止時における電極間の静電容量挙動と排気温度センサのセンサ値挙動とを比較する図である。（Ａ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。他の実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。他の実施形態に係る診断装置のＰＭセンサ及び排気温度センサの配置を説明する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。排気管１１０には、排気上流側から順に、第１排気温度センサ２５０、酸化触媒２１０、第２排気温度センサ２６０、パティキュレイトフィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０、ＮＯｘ還元型触媒２３０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、酸化触媒２１０（ＤＰＦ２２０）よりも上流側の排気管１１０に設けられている。

次に、図２に基づいて本実施形態に係るＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。

ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０とを備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。

ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ₁₂は、導出口１３の総開口面積Ｓ₁₃よりも小さく形成されている（Ｓ₁₂＜Ｓ₁₃）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ₁₂が導出口１３付近の排気流速Ｖ₁₃よりも遅くなることで（Ｖ₁₂＜Ｖ₁₃）、導入口１２側の圧力Ｐ₁₂は導出口１３側の圧力Ｐ₁₃よりも高くなる（Ｐ₁₂＞Ｐ₁₃）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。

フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。

電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、ＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。

電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるセンサ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。

次に、図３に基づいて、本実施形態のＥＣＵ４０の詳細について説明する。ＥＣＵ４０は、センサ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、ＰＭセンサ異常判定部４３とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。

センサ再生制御部４１は、本発明の再生手段の一部であって、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

センサ再生制御部４１は、図４に示すように、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１のＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Ｃ_{P_max}に達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするセンサ再生を開始する。このセンサ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Ｃ_{P_min}に低下するまで継続される。

ＰＭ量推定演算部４２は、本発明の推定手段であって、再生インターバルＴ_n間（センサ再生終了から次のセンサ再生開始）における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}を推定演算する。

再生インターバルＴ_n間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍ_{PM_n}は、静電容量変化量ΔＣｐ_nに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。

ＰＭ量推定演算部４２は、数式２から算出される各再生インターバルＴ_n間のＰＭ量ｍ_{PM_n}を順次積算する以下の数式３に基づいて、フィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum}をセンサ１０の出力値としてリアルタイムに演算する。

ＰＭセンサ異常判定部４３は、本発明の異常判定手段の一例であって、第１排気温度センサ２５０から入力されるセンサ値に基づいて、ＰＭセンサ１０の異常を判定する。

上述の数式１において、電極３２，３３の面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されないときは、電極３２，３３間の距離ｄも一定となる。その結果、誘電率εが温度の影響を受けて変化すると、これに伴い静電容量Ｃｐも変化することになる。すなわち、エンジン１００の燃料噴射停止時等、エンジン１００からＰＭが排出されない状態にあれば、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐ及び、第１排気温度センサ２５０のセンサ値は同じ挙動（変化）を示すことになる（図５の時間ｔ₁〜ｔ₂参照）。ＰＭセンサ異常判定部４３は、エンジン１００の燃料噴射停止時に、これら電極３２，３３間の静電容量Ｃｐの挙動と第１排気温度センサ２５０のセンサ値の挙動との偏差ΔＴをリアルタイムに演算すると共に、偏差ΔＴが所定の閾値を超えると、ＰＭセンサ１０に異常が発生したと判定する。

なお、エンジン１００の燃料噴射停止時は、酸化触媒２１０で酸化反応が生じないため、第１排気温度センサ２５０と第２排気温度センサ２６０とはセンサ値が略等しくなる。したがって、上述の静電容量Ｃｐと比較するセンサ値は、第２排気温度センサ２６０のセンサ値を用いてもよい。

また、ＥＣＵ４０の機能要素として、予め作成した静電容量Ｃｐと排気温度との関係を示す静電容量・温度特性マップ（不図示）から排気温度を推定する排気温度推定部を追加し、排気温度推定部で推定される排気温度と、第１又は第２排気温度センサ２５０，２６０のセンサ値とを直接的に比較するように構成してもよい。

次に、本実施形態に係る診断装置の作用効果を説明する。

電気抵抗型ＰＭセンサのセンサ再生期間における電気抵抗値を正常時の値と比較する従来技術では、電極間の電気抵抗値が変化しない再生インターバル期間は診断を行うことができず、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化を早期に検知できない課題がある。

これに対し、本実施形態の診断装置は、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されないエンジン１００の燃料噴射停止時であれば、センサ再生中及び再生インターバル期間の何れにおいても、ＰＭセンサ１０の機能失陥や機能劣化を静電容量Ｃｐの温度特性に基づいて診断できるように構成されている。したがって、本実施形態の診断装置によれば、ＰＭセンサ１０の診断頻度を効果的に確保することが可能となり、ＰＭセンサ１０の異常を早期且つ高精度に検知することができる。

［第二実施形態］
次に、図６に基づいて、第二実施形態に係る診断装置の詳細について説明する。第二実施形態の診断装置は、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、センサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。

図６（Ａ）は、第二実施形態のセンサ部６０の斜視図、図６（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備えている。

フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図６（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図６（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図６（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第二実施形態では、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

なお、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

［その他］
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図７に示すように、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

また、図８に示すように、ＰＭセンサ１０及び、排気温度センサ２７０をＤＰＦ２２０よりも下流側に配置し、ＰＭセンサ１０の異常診断をＤＰＦ２２０のＰＭ捕集機能が正常な状態のときに実行するように構成してもよい。ＤＰＦ２２０の機能診断は、例えば、ＰＭセンサ１０のセンサ再生回数や再生インターバルを予め取得した正常値と比較することで行えばよい。

また、排気温度センサ２６０〜２７０のセンサ値に基づいてＰＭセンサ１０の異常を診断するものとして説明したが、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいて排気温度センサ２６０〜２７０の異常を診断するように構成することもできる。

１０ＰＭセンサ
１１ケース部材
１２導入口
１３導出口
２０台座部
２１雄ネジ部
２２ナット部
３０センサ部
３１フィルタ部材
３２，３３電極
３４電気ヒータ
４０ＥＣＵ
４１センサ再生制御部
４２ＰＭ量推定演算部
４３ＰＭセンサ異常判定部
１００エンジン
１１０排気管
２１０酸化触媒
２２０ＤＰＦ
２５０第１排気温度センサ
２６０第２排気温度センサ

Claims

内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設け、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を含む第１センサと、
前記排気通路に設けられて排気温度を検出する第２センサと、
前記一対の電極部材間の静電容量と前記第２センサのセンサ値とを比較して、前記第１センサの異常を判定する異常判定手段と、を備える
診断装置。
前記排気通路には、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレイトフィルタが設けられ、
前記第１センサ及び前記第２センサは、前記パティキュレイトフィルタよりも上流側の排気通路に配置され、
前記異常判定手段は、前記内燃機関の燃料噴射停止時に前記一対の電極部材間の静電容量と前記第２センサのセンサ値とを比較して、前記第１センサの異常を判定する
請求項１に記載の診断装置。
前記排気通路には、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレイトフィルタが設けられ、
前記第１センサ及び前記第２センサは、前記パティキュレイトフィルタよりも下流側の排気通路に配置され、
前記異常判定手段は、前記パティキュレイトフィルタの捕集機能が正常な場合に前記一対の電極部材間の静電容量と前記第２センサのセンサ値とを比較して、前記第１センサの異常を判定する
請求項１に記載の診断装置
前記第１センサは、前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去させるセンサ再生を実行する再生手段をさらに備え、
前記推定手段は、センサ再生インターバル間における前記一対の電極間の静電容量変化量から当該センサ再生インターバル間に前記フィルタ部材で捕集された粒子状物質量を算出すると共に、算出した各センサ再生インターバル間の粒子状物質量を順次積算することで、排気中の粒子状物質量をリアルタイムに推定する
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。
前記第１センサは、筒状に形成されてその筒内に前記フィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気を前記フィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材を備える
請求項１から４の何れか一項に記載の診断装置。
前記フィルタ部材が前記セルを一方向に並列に複数配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板である
請求項１から５の何れか一項に記載の診断装置。
前記第１電極板、前記第２電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第１及び第２電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層された
請求項６に記載の診断装置。