JP6201578B2

JP6201578B2 - 診断装置

Info

Publication number: JP6201578B2
Application number: JP2013201198A
Authority: JP
Inventors: 哲史塙; 輝男中田; 正内山; 英和藤江; 直人村澤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: WO2015046446A1; JP2015068203A

Description

本発明は、診断装置に関し、特に、内燃機関の排気系に設けられる排気浄化フィルタの診断に関する。

ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化フィルタとして、排気中に含まれる主に煤等の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）が知られている。

ＤＰＦのＰＭ捕集能力が溶損等により劣化すると、ＤＰＦで捕集されずにスリップしたＰＭが大気に放出されて、排ガス規制値を満たさなくなる可能性がある。そのため、ＤＰＦの故障を車載状態（On-Board）で診断する要請がある。

ＤＰＦの故障を判定する技術としては、例えば、ＤＰＦの下流側に抵抗型ＰＭセンサを設けて、センサ値と基準閾値と比較する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４４５７７号公報

一般的に、抵抗型ＰＭセンサは、一対の電極間に付着する導電性のＰＭによって、電極間の抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を検出している。しかしながら、抵抗型ＰＭセンサでは、排気温度や排気流量の影響を受けると電極間に付着したＰＭの電気抵抗が変化するため、正確なＰＭ量を検出できない可能性がある。そのため、抵抗型ＰＭセンサのセンサ値に基づいた診断手法では、ＤＰＦの故障を正確に判定できない課題がある。

本発明の目的は、ＤＰＦの故障を高精度に判定できる診断装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の診断装置は、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの下流側に設けられ、電極間に付着した粒子状物質を流れる電流値から粒子状物質量を検出すると共に、電極間に付着した粒子状物質が所定量に達すると当該粒子状物質を燃焼除去する再生が可能なセンサと、前記センサの再生終了から次の再生開始までの実インターバルを演算する実インターバル演算手段と、前記内燃機関から排出されて当該フィルタを通過する粒子状物質のスリップ量を推定するスリップ量推定手段と、前記内燃機関の排気状態量及び、推定される前記スリップ量を入力値として含む重回帰式に基づいて前記電極間に付着する粒子状物質の堆積状態を推定すると共に、当該堆積状態に基づいて前記センサの再生終了から次の再生開始までの推定インターバルを演算する推定インターバル演算手段と、前記実インターバルと前記推定インターバルとを比較して、前記フィルタの少なくとも故障を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記判定手段は、前記実インターバルが前記推定インターバル未満の場合に、前記フィルタを故障と判定し、前記実インターバルが前記推定インターバル以上の場合に、前記フィルタを正常と判定するものであてもよい。

また、前記判定手段は、前記推定インターバルの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、前記フィルタの再生が開始されない場合は、前記フィルタを正常と判定するものであってもよい。

また、前記判定手段は、前記実インターバルの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、前記推定インターバルの演算が終了しない場合は、前記フィルタを故障と判定するものであってもよい。

また、前記判定手段は、前記実インターバルと前記推定インターバルとの比が所定の上限閾値を下回ると、前記フィルタを故障と判定するものであってもよい。

本発明の診断装置によれば、ＤＰＦの故障を高精度に判定することができる。

本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。（ａ）は、本実施形態の抵抗型ＰＭセンサの要部を示す模式的な斜視図、（ｂ）は、抵抗型ＰＭセンサのセンサ再生信号を示す図である。本実施形態のＥＣＵ４０を示す機能ブロック図である。本実施形態の故障診断の一例を説明する図である。本実施形態の故障診断の一例を説明する図である。本実施形態の故障診断の一例を説明する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一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、それらの名称およ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。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１３、ＭＡＦセンサ３１、過給機のコンプレッサ１４ａ、インタークーラ１５、吸気温度センサ３２、吸気酸素濃度センサ３３、ブースト圧センサ３４等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機のタービン１４ｂ、排気酸素濃度センサ３５、空燃比センサ３６、排気温度センサ３７、排気後処理装置５０等が設けられている。なお、図１中において、符号３８はエンジン回転センサ、符号３９はアクセル開度センサを示している。

排気後処理装置５０は、触媒ケース５０ａ内に排気上流側から順に、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）５１と、ＤＰＦ５２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ５１の排気上流側には排気管内噴射装置５３、ＤＰＦ５２の下流側には、ＤＰＦ５２を通過した排気中のＰＭ量を検出する抵抗型ＰＭセンサ２０が設けられている。

排気管内噴射装置５３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置５３を省略してもよい。

ＤＯＣ５１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ５１は、排気管内噴射装置５３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ５２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これら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。ＤＰＦ５２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実行される。フィルタ強制再生は、排気管内噴射装置５３又はポスト噴射によってＤＯＣ５１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ５２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。

抵抗型ＰＭセンサ２０は、図２（ａ）に示すように、絶縁基板２１上に電圧が印加される櫛歯状の一対の電極２２を備えており、電極２２間の抵抗値が導電性のＰＭの付着により変化することを利用してＰＭ量を検出する。また、抵抗型ＰＭセンサ２０は、図示しないヒータを備えており、図２（ｂ）に示すように、電極２２間に付着したＰＭが所定量まで堆積すると、これをヒータで加熱して燃焼除去するセンサ再生が行われる。このセンサ再生信号（開始信号・終了信号）は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置５３等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。

また、ＥＣＵ４０は、図３に示すように、実再生インターバル演算部４１と、エンジン排出ＰＭ量演算部４２と、ＰＭスリップ量演算部４３と、推定再生インターバル演算部４４と、ＤＰＦ診断部４５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、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、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

実再生インターバル演算部４１は、本発明の実インターバル演算手段の一例であって、抵抗型ＰＭセンサ２０の再生終了から次の再生開始までの期間（以下、この期間を実再生インターバルＩＮＴａｃｔという）を演算する。実再生インターバルＩＮＴａｃｔは、抵抗型ＰＭセンサ２０から入力される再生開始信号及び再生終了信号に基づいて演算される。

エンジン排出ＰＭ量演算部４２は、本発明のスリップ量推定手段の一部を構成するもので、エンジン１０から排出されるＰＭ量をリアルタイムで演算する（以下、エンジン排出ＰＭ量ＭＥＧ＿ｏｕｔという）。エンジン排出ＰＭ量ＭＥＧ＿ｏｕｔは、例えば、各種センサ３１〜３９等で検出される吸排気系の酸素濃度Ｏ２、空燃比λ、排気温度Ｔ_exh等を入力値として含むモデル式等から演算される。なお、エンジン排出ＰＭ量ＭＥＧ＿ｏｕｔは、予め実験等により作成したＰＭ排出量マップ（不図示）から、センサ３８，３９等で検出されるエンジン運転状態に対応する値を読み取ることで求めてもよい。

ＰＭスリップ量演算部４３は、本発明のスリップ量推定手段の一部を構成するもので、ＤＰＦ５２を通過するＰＭ量（以下、ＰＭスリップ量Ｍ_{DPF_slp}という）をリアルタイムで演算する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めたＤＰＦ５２のＰＭ捕集能力を正常と仮定した場合のＰＭスリップ率ＳＬＰ_%が記憶されている。ＰＭスリップ量Ｍ_{DPF_slp}は、エンジン排出ＰＭ量Ｍ_{EG_out}にＰＭスリップ率ＳＬＰ_%を乗算することで得られる（Ｍ_{DPF_slp}＝Ｍ_{EG_out}・Ｍ_{DPF_slp}）。なお、ＰＭスリップ率ＳＬＰ_%は、ＤＰＦ５２が溶損等により故障する直前の状態を基準に設定することが好ましい。これにより、後述する故障診断において、ＰＭスリップ量が排ガス基準値等を超える直前で、ＤＰＦ５２の故障を確実に検知することが可能になる。

推定再生インターバル演算部４４は、本発明の推定インターバル演算手段の一例であって、ＤＰＦ５２のＰＭ捕集能力を正常と仮定して、抵抗型ＰＭセンサ２０の再生終了から次の再生開始までの推定期間（以下、この期間を推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔという）を演算する。推定再生インターバルＩＮＴｅ_stは、排気温度、排気流量及び、ＰＭスリップ量（ＤＰＦ５２の出口ＰＭ量）を用いて、予め重回帰分析により作成したモデル式に基づいて演算される。以下、詳細な演算手順を説明する。

センサ再生開始時において、電極２２間の抵抗値（相当する電流値）及び、電極２２間のＰＭ堆積量（主に煤）は一定となる。すなわち、以下の数式１に示すように、ＰＭスリップ量ＭＤＰＦ＿ｓｌｐに所定の補正係数ＣＦを乗算した値を再生インターバルＴ_{_reg}間で積算して得られる電極２２間のＰＭ堆積量Ｍ_{soot_reg}は、センサ再生開始時に一定となる。

エンジン１０の定常運転時は、ＰＭスリップ量ＭＤＰＦ＿ｓｌｐ及び、補正係数ＣＦが変化しないため、数式１は以下の数式２に置きかえられる。

電極２２間のＰＭ堆積量割合Ｍ_normは、センサ再生開始時に１（１００％）になるので、以下の数式３で表すことができる。

数式３において、補正係数ＣＦとＰＭ堆積量Ｍ _{soot_reg}との比を所定の補正係数ＣＣと仮定して正規化すると、以下の数式４が得られる。

予め実験等により排気温度、排気流量、ＰＭスリップ量を計測して重回帰分析を行うと、補正係数ＣＣは、排気温度Ｔ_exh、排気流量Ｑ_exh及び、ＰＭスリップ量ＭＤＰＦ＿ｓｌｐを入力値とする数式５の重回帰関数として定義される。

以下の数式６に示すように、エンジン１０の過渡運転状態で、センサ再生終了時からＰＭスリップ量ＭＤＰＦ＿ｓｌｐに補正係数ＣＣを乗算した値を積算して得られるＰＭ堆積量割合Ｍ_normは、次のセンサ再生開始時（電極２２間のＰＭ堆積完了時）に１（１００％）となる。

推定再生インターバル演算部４４は、センサ再生終了時から上述の数式５，６に基づいてＰＭ堆積量割合Ｍ_normの演算を開始する。そして、センサ再生終了時からＰＭ堆積量割合Ｍ_normの演算値が１になるまでの期間をＥＣＵ４０に内蔵されたタイマ（不図示）で計時することで、推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔを演算するように構成されている。なお、数式５において、排気温度Ｔ_exhは、排気温度センサ３７から取得され、排気流量Ｑ_exhは、ＭＡＦセンサ３１の検出値及びエンジン１０の燃料噴射量等から演算するか、あるいは図示しない排気流量センサから直接的に取得される。

ＤＰＦ診断部４５は、本発明の判定手段の一例であって、実再生インターバル演算部４１から入力される実再生インターバルＩＮＴａｃｔと、推定再生インターバル演算部４４から入力される推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔとに基づいて、ＤＰＦ５２の故障又は正常を判定する。以下、具体的な判定手法を図４，５に基づいて説明する。

図４に示す判定手法は、実再生インターバルＩＮＴａｃｔと推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔとを直接比較するものである。この判定手法では、実再生インターバルＩＮＴａｃｔが推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔよりも短い場合に（ＩＮＴａｃｔ＜ＩＮＴｅｓｔ）、ＤＰＦ５２を故障と判定する。一方、実再生インターバルＩＮＴａｃｔが推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔと同じか、もしくは長い場合に（ＩＮＴａｃｔ≧ＩＮＴｅｓｔ）、ＤＰＦ５２を正常と判定する。

図５に示す判定手法は、診断時間の短縮化及び、診断回数の増加を目的とするものである。図５（ａ）では、推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、次のセンサ再生開始信号が入力されない場合は、ＤＰＦ５２を正常と判定する。これにより、ＤＰＦ５２が正常な場合に、実再生インターバルＩＮＴａｃｔの演算終了を待つことなく、ＤＰＦ５２の正常な状態を早期に判定することが可能になる。

図５（ｂ）では、実再生インターバルＩＮＴａｃｔの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔの演算が終了しない場合は、ＤＰＦ５２を故障と判定する。これにより、ＤＰＦ５２の劣化が著しい場合に、推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔの演算終了を待つことなく、ＤＰＦ５２の故障を早期に検知することが可能になる。

図６に示す判定手法は、実再生インターバルＩＮＴ_actと推定再生インターバルＩＮＴ_estとの比を用いるものである。この判定手法では、実再生インターバルＩＮＴ_actを推定再生インターバルＩＮＴ_estで除算した比率％ＩＮＴが、予め定めた上限閾値Ｔ_MAX%を下回ると、ＤＰＦ５２を故障と判定する。上限閾値Ｔ_MAX%は、例えば、溶損等によりＤＰＦ５２を通過するＰＭスリップ量が排ガス基準値を満たさなくなる直前の状態（故障直前の正常品）を基準に設定されることが好ましい。

次に、本実施形態に係る診断装置による作用効果を説明する。

従来、ＤＰＦの故障を診断する技術として、ＤＰＦの下流側に設けた抵抗型ＰＭセンサのＰＭ量検出値と閾値とを比較する手法が知られている。しかしながら、電極間に付着したＰＭの電気抵抗は、排気温度や排気流量の影響により変化するため、抵抗型ＰＭセンサのＰＭ量検出値に基づいた診断手法では、ＤＰＦの劣化を正確に判定できない課題がある。

これに対し、本実施形態の診断装置では、抵抗型ＰＭセンサ２０のＰＭ量検出値を用いることなく、抵抗型ＰＭセンサ２０のセンサ再生信号から演算される実再生インターバルＩＮＴａｃｔと、予め排気温度、排気流量及び、ＰＭスリップ量を重回帰分析して作成したモデル式（数式５，６）から演算される推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔとに基づいて、ＤＰＦ５２の故障又は正常を判定している。したがって、本実施形態の診断装置によれば、排気温度や排気流量の影響を受けることなく、ＤＰＦ５２の診断精度を効果的に向上することができる。

また、本実施形態の診断装置では、推定再生インターバルＩＮＴｅｓｔを演算するモデル式は、排気流量、排気温度、ＰＭスリップ量を入力値として含む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、実再生インターバルと閾値とを単純に比較してＤＰＦを診断する技術に比べて、再生インターバル間におけるエンジン１０の運転履歴を考慮に入れた高精度な診断を行うことが可能になる。

また、本実施形態の診断装置では、推定再生インターバルの演算が終了してから所定時間が経過しても、次のセンサ再生開始信号が入力されない場合は、ＤＰＦ５２を正常と判定する。すなわち、ＤＰＦ５２が正常な場合は、実再生インターバルの演算終了を待つことなく、早期に判定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、診断時間の短縮化及び、診断回数の増加を効果的に図ることができる。

また、本実施形態の診断装置では、実再生インターバルの演算が終了してから所定時間が経過しても、推定再生インターバルの演算が終了しない場合は、ＤＰＦ５２を故障と判定する。すなわち、ＤＰＦ５２の劣化が著しい場合は、推定再生インターバルの演算終了を待つことなく、故障を判定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、ＤＰＦ５２の故障を早期に検知することが可能になる。

なお、本発明は、上述の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、ＤＰＦ５２とＤＯＣ５１とは別体に設けられるものとして説明したが、これらを一体化してもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０エンジン
２０抵抗型ＰＭセンサ
２２電極
４０ＥＣＵ
４１実再生インターバル演算部
４２エンジン排出ＰＭ量演算部
４３ＰＭスリップ量演算部
４４推定再生インターバル演算部
４５ＤＰＦ診断部
５１ＤＯＣ
５２ＤＰＦ
５３排気管内噴射装置

Claims

内燃機関から排出される排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
前記フィルタの下流側に設けられ、電極間に付着した粒子状物質を流れる電流値から粒子状物質量を検出すると共に、電極間に付着した粒子状物質が所定量に達すると当該粒子状物質を燃焼除去する再生が可能なセンサと、
前記センサの再生終了から次の再生開始までの実インターバルを演算する実インターバル演算手段と、
前記内燃機関から排出されて当該フィルタを通過する粒子状物質のスリップ量を推定するスリップ量推定手段と、
前記内燃機関の排気温度および排気流量ならびに推定される前記スリップ量に基づき、下記の数式１および２（但し、Ｔ _exh は排気温度、Ｑ _exh は排気流量、Ｍ _{DPF_slp} はスリップ量、Ｍ _norm は電極間の粒子状物質堆積量割合、Ｔ _{_reg} は再生インターバル）に基づいて前記電極間に付着する粒子状物質の堆積状態を推定すると共に、当該堆積状態に基づいて前記センサの再生終了から次の再生開始までの推定インターバルを演算する推定インターバル演算手段と、
前記実インターバルと前記推定インターバルとを比較して、前記フィルタの少なくとも故障を判定する判定手段と、を備え、
前記推定インターバル演算手段は、センサ再生終了時から前記数式１および２に基づいて粒子状物質堆積量割合Ｍ _norm の演算を開始し、粒子状物質堆積量割合Ｍ _norm の演算値が１になるまでの期間を計時することで前記推定インターバルを演算する
ことを特徴とする診断装置。
前記判定手段は、
前記実インターバルが前記推定インターバル未満の場合に、前記フィルタを故障と判定し、前記実インターバルが前記推定インターバル以上の場合に、前記フィルタを正常と判定する
請求項１に記載の診断装置。
前記判定手段は、
前記推定インターバルの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、前記センサの再生が開始されない場合は、前記フィルタを正常と判定する
請求項１又は２に記載の診断装置。
前記判定手段は、
前記実インターバルの演算が終了してから所定の閾値時間が経過しても、前記推定インターバルの演算が終了しない場合は、前記フィルタを故障と判定する
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。
前記判定手段は、
前記実インターバルと前記推定インターバルとの比が所定の上限閾値を下回ると、前記フィルタを故障と判定する
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。