CN102869860A

CN102869860A - Dpf故障检测方法及dpf故障检测装置

Info

Publication number: CN102869860A
Application number: CN2011800131271A
Authority: CN
Inventors: 内山正; 藤江英和; 阿曾充宏
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: CN102869860B; JP2011185213A; US20120318055A1; WO2011111584A1; JP5565005B2; EP2546484A1; EP2546484A4; EP2546484B1; US8770016B2

Abstract

提供一种以简单的构成实现且低成本地检测故障的DPF故障检测方法及DPF故障检测装置。运算从内燃机（2）的运转状态起PM向DPF（4）的理论堆积量，通过静电电容型PM传感器（6）的静电电容，来测定PM向DPF（4）的实际堆积量，相对于理论堆积量，当实际堆积量的偏差超过容许界限时，诊断为DPF（4）出现故障。

Description

DPF故障检测方法及DPF故障检测装置

技术领域

本发明涉及捕获内燃机的排出气体中的PM的DPF的故障检测方法及DPF故障检测装置，涉及以简单的构成实现且低成本地检测故障的DPF故障检测方法及DPF故障检测装置。

背景技术

在搭载有柴油发动机等内燃机的车辆中，在将排出气体从内燃机引导至大气的排气管中，设置有柴油微粒过滤器（Diesel Particulate Filter；以下称为DPF），排出气体所包含的煤、即粒状物质（Particulate Matter；以下称为PM）被捕获。DPF是主要由陶瓷构成，是具有较多蜂窝细孔（或者四边形细孔）的过滤器。在DPF中，通过使PM附着于成为排出气体的通路的蜂窝细孔的表面，来捕获PM。

但是，如果DPF产生损伤、破裂等故障，则PM的捕获变得不充分，PM流出至DPF的下游，且PM有可能排放至大气。为了防止这种情况，期望检测DPF的故障并尽快地处理。鉴于此，在美国，依照OBD（On-boardDiagnosis）法规，在车上搭载DPF故障检测监测器成为义务化的程序。

在现有技术中，主流是，设置测定DPF的前后的压力差的差压传感器，当差压传感器的输出值大大低于DPF为正常状态的输出范围时，判定为DPF故障。然而，在使用差压传感器的方法中，检测精度存在问题，可能无法应对今后将要强化的限制。因此，作为对策，作为检测排出气体中的PM量的PM传感器，已知专利文献1的方案。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-153716号公报

发明内容

发明所要解决的技术课题

然而，专利文献1的PM传感器是用于内燃机的研究开发的固定设备，在应用于车载时存在着问题，是不合适的。

例如，要求作为车载的DPF故障检测装置为小型，但是由于专利文献1的PM传感器使用2000～7000V的高电压，因而装置变得非常大型，重量也较重，成本也变高。

另外，由于专利文献1的PM传感器使用高电压，因而需要进行电绝缘的安全对策，由此成本会也变高。再者，由于高电压的使用，可能产生辐射噪声。

因此，本发明的目的在于，提供一种DPF故障检测方法及DPF故障检测装置，解决上述问题，以简单的构成实现，并且低成本地检测故障。

解决技术课题所采用的技术方案

为了达成前述目的，本发明的DPF故障检测方法对插入到排气管中的柴油微粒过滤器（以下称为DPF）的故障进行检测，该排气管将排出气体从内燃机引导至大气，该DPF故障检测方法运算从前述内燃机的运转状态起，粒状物质（以下称为PM）向前述DPF的堆积量（以下称为理论堆积量），通过静电电容型PM传感器的静电电容，来测定PM向前述DPF的堆积量（以下称为实际堆积量），该静电电容型PM传感器由配置于前述DPF的2个电极构成，当实际堆积量相对于理论堆积量的偏差超过容许界限时，诊断为前述DPF出现故障。

另外，本发明的DPF故障检测装置，对插入到排气管中的柴油微粒过滤器（以下称为DPF）的故障进行检测，该排气管将排出气体从内燃机引导至大气，该DPF故障检测装置具备：理论堆积量运算部，运算从前述内燃机的运转状态起，粒状物质（以下称为PM）向前述DPF的堆积量（以下称为理论堆积量）；静电电容型PM传感器，由配置于前述DPF的2个电极构成；实际堆积量测定部，根据前述静电电容型PM传感器的静电电容，来测定PM向前述DPF的堆积量（以下称为实际堆积量）；以及故障诊断部当前述实际堆积量测定部所测定的实际堆积量，相对于由前述理论堆积量运算部运算的理论堆积量的偏差超过容许界限时，该故障诊断部诊断为前述DPF出现故障。

也可以是，前述理论堆积量运算部具备：PM产生量运算部，运算前述内燃机所产生的PM产生量；PM再生量运算部，运算由前述DPF处的被动再生引起的PM再生量；以及减法运算部，从PM产生量减去PM再生量，用于理论堆积量的运算。

也可以是，前述PM产生量运算部基于发动机转速、燃料量、EGR率，来运算前述内燃机所产生的基本PM量（基本部分），基于发动机转速、燃料量、空燃比，来运算前述内燃机所产生的过渡PM量（过渡部分），以及作为基本部分和过渡部分的和，运算PM产生量。

也可以是，前述PM再生量运算部基于空燃比、氧量、DPF温度，运算在前述DPF中由于热而再生的PM量（热再生部分），基于NO₂产生量、排出气体温度、排出气体体积，运算由于与NO₂的反应而再生的PM量（NO₂再生部分），以及作为热再生部分和NO₂再生部分的和，运算PM再生量PMr。

前述减法运算部由差分部和累积部构成，差分部求出PM产生量与PM再生量的差分，累积部在前述内燃机运转期间内对差分进行累积，也可以通过对PM产生量与PM再生量的差分进行累积而求出理论堆积量，在DPF强制再生时，将理论堆积量清零，而重新开始累积。

也可以是，前述静电电容型PM传感器沿着前述DPF的单侧设有1个电极，沿着相反侧设有另1个电极。

也可以是，前述静电电容型PM传感器以覆盖前述DPF整体的方式设有筒状的1个电极，在前述DPF的中心部设有筒状的另1个电极。

也可以是，前述静电电容型PM传感器以覆盖前述DPF整体的方式设有筒状的1个电极，在前述DPF的中心部设有另1个电极，该另1个电极配置有多根线而构成。

也可以是，前述静电电容型PM传感器在前述DPF的上游和下游分别设有网状的电极。

发明的效果

本发明发挥了如下优异效果。

（1）以简单的构成实现。

（2）低成本地检测故障。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的DPF故障检测装置的构成图。

图2是表示本发明的DPF故障检测装置的理论堆积量运算部中的运算内容的框图。

图3（a）是以发动机转速与转矩的二维平面表示的发动机状态的曲线图，（b）是表示PM量与DPF温度的相关性的曲线图。

图4是在本发明的DPF故障检测装置中使用的静电电容型PM传感器的特性图。

图5（a）～（d）是在本发明的DPF故障检测装置中使用的PM传感器的概略构成图。

图6（a）～（d）是表示本发明的DPF故障检测装置中的、运算出的理论堆积量与测定的实际堆积量的变化的曲线图，（e）为故障诊断部的框图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明的一个实施方式。

如图1所示，本发明的DPF故障检测装置1对插入到排气管3中的柴油微粒过滤器（以下称为DPF）的故障进行检测，该排气管3将排出气体从内燃机2引导至大气，上述DPF故障检测装置1具备：理论堆积量运算部5，运算粒状物质（以下称为PM）从内燃机2的运转状态起向DPF4的堆积量（以下称为理论堆积量）；静电电容型PM传感器6，由配置于DPF4的2个电极构成；实际堆积量测定部7，通过静电电容型PM传感器6的静电电容，来测定PM向DPF4的堆积量（以下称为实际堆积量）；以及故障诊断部8，相对于由理论堆积量运算部5运算的理论堆积量，当实际堆积量测定部7所测定的实际堆积量的偏差超出容许界限时，诊断为DPF4出现故障。

内燃机2为柴油发动机。在向内燃机2供给空气的吸气管9中，从大气侧起依次设有：检测吸入空气量的MAF传感器10、涡轮增压器的压缩机11、吸入空气冷却器12。在排气管3中，从内燃机2侧起依次设有涡轮增压器的涡轮13和DPF4。在内燃机2的排气歧管（manifold）和吸气歧管之间，设有使排出气体以适宜的EGR率循环为吸气的EGR装置14。

DPF4是现有公知的装置，由具有大量蜂窝细孔的陶瓷构成。但是，在本发明中，在DPF4中设有静电电容型PM传感器6的电极。

如图2所示，理论堆积量运算部5具备：PM产生量运算部21，运算内燃机2所产生的PM产生量；PM再生量运算部22，运算由DPF4处的被动再生引起的PM再生量；以及减法运算部23，PM产生量减去PM再生量，用于理论堆积量的运算。

PM产生量运算部21基于发动机转速、燃料量、EGR率，运算内燃机2所产生的基本的PM量（基本部分），基于发动机转速、燃料量、空燃比，运算内燃机2所产生的过渡的PM量（过渡部分），作为基本部分与过渡部分的和，运算PM产生量PMi。在各运算中，可使用通过试验求出的近似式或者通过试验获得的映射表。

PM再生量运算部22基于空燃比、氧量、DPF温度，运算在DPF4中由于热而再生的PM量（热再生部分），基于NO₂产生量、排出气体温度、排出气体体积，运算由于与NO₂的反应（NO_x还原、PM氧化）而再生的PM量（NO₂再生部分），作为热再生部分与NO₂再生部分的和，运算PM再生量PMr。在各运算中，可使用通过试验求出的近似式或者通过试验获得的映射表。

减法运算部23由差分部24和累积部25构成，其中，差分部24求出PM产生量PMi与PM再生量PMr的差分；累积部25在内燃机2运转的期间对差分进行累积；通过对PM产生量PMi与PM再生量PMr的差分进行累积，求出应该堆积到DPF4中的PM量，即理论堆积量PMb。运算式如下。

[数学式1]PMb＝∫(PMi-PMr)dt

此外，在搭载有DPF4的车辆中，通过在内燃机2中根据需要在主喷射后进行追加的燃料喷射的控制，排气温度上升，堆积在DPF4中的PM燃烧而被除去，也就是进行所谓的DPF强制再生。前述运算式在DPF强制再生时，将理论堆积量PMb清零，重新开始累积。

另一方面，被动再生是不进行特别的再生控制，而将DPF4的PM除去的情况。例如，如在图3（a）中作为被动再生区域所示的，在发动机转速较高且转矩较大的发动机状态下，排出气体的温度显著较高，因而堆积在DPF4中的PM燃烧。这就是热再生。再者，由于排出气体温度较高，在排出气体中，PM由于NO₂与PM的反应而被氧化，发生了NO₂再生。

如图3（b）所示，当假定内燃机2的PM产生量为恒定时，如果DPF温度变高，则由被动再生除去的PM量变多，与此相伴，堆积在DPF4中的PM量变少。起因于这样的排出气体的温度（DPF温度）而再生的PM量为前述的热再生部分和NO₂再生部分。

其次，图1的静电电容型PM传感器6根据由设置于DPF4中的2个电极间的静电电容捕获的PM的堆积量而变化。即，若设静电电容为C、介电常数为ε、电极面积为S、电极间距离为d，则

[数学式2]

C = ϵ \times \frac{S}{d}

的关系成立，遵循以下原理：如果在电极间的介质中PM增加而介电常数ε变大，则静电电容C变大。

由此，如图4所示，静电电容型PM传感器6具有以下特性：若在DPF4中捕获的PM的堆积量增加，则静电电容与其成比例地增加。

图5（a）所示的静电电容型PM传感器6a，沿着圆柱状的DPF4的外周的单侧一半设有圆筒片状的1个电极51，沿着相反侧一半设有圆筒片状的另1个电极52。由此，2个电极51、52从两侧夹着DPF4而相互对置，如果PM被捕获到DPF4中，则由于存在于电极51、52之间的PM的影响，静电电容变化。

图5（b）所示的静电电容型PM传感器6b，以覆盖圆柱状的DPF4的外周整体的方式设有圆筒状的1个电极53，在DPF4的中心部设有圆筒状的另1个电极54。由此，2个电极53、54在DPF4的内外配置成同心状，若PM被捕获到DPF4中，则由于存在于电极53、54之间的PM的影响，静电电容变化。

图5（c）所示的静电电容型PM传感器6c，以覆盖圆柱状的DPF4的外周整体的方式设有圆筒状的1个电极55，在DPF4的中心部设有另1个电极56，该电极56以圆筒状配置有多根线而构成。

图5（d）所示的静电电容型PM传感器6d，在圆柱状的DPF4的上游和下游分别设有网状的2个电极57、58。

返回图1的说明。

实际堆积量测定部7具有基于图4的特性设定的测定映射表，检测静电电容型PM传感器6的静电电容，以该静电电容参考测定映射表，来测定PM堆积量。例如，实际堆积量测定部7使用可在适当的静电电容范围内控制静电电容的可变电容器，在上述范围内扫描可变电容器的静电电容，并且检测静电电容型PM传感器6与可变电容器的电平衡，在取得了平衡的时点，读取可变电容器的静电电容控制值，作为静电电容型PM传感器6的静电电容。

故障诊断部8求出由理论堆积量运算部5运算的理论堆积量和由实际堆积量测定部7测定的实际堆积量的偏差，当该偏差超过容许界限时，诊断为DPF4出现故障。具体而言，故障诊断部8在实际堆积量比理论堆积量小的情况下，运算理论堆积量与实际堆积量的差分，当该差分在规定值以上时，诊断为DPF4出现故障，或者运算理论堆积量的增加速度与实际堆积量的增加速度之差，当该速度差为规定值以上时，诊断为DPF4出现故障。

另外，故障诊断部8在实际堆积量比理论堆积量大的情况下，运算实际堆积量与理论堆积量的差分，当该差分在规定值以上时，能够诊断为发生了大量排出PM的发动机故障，或者运算实际堆积量的增加速度与理论堆积量的增加速度之差，当该速度差为规定值以上时，能够诊断为发生了大量排出PM的发动机故障。

理论堆积量运算部5、实际堆积量测定部7、故障诊断部8优选为以按程序动作的数字电路来实现，优选为装入到对车辆的燃料喷射、变速器等进行控制的电子控制装置（ECU）。

以下，说明本发明的DPF故障检测装置1的动作。

如图6（a）所示，理论堆积量伴随着时间的经过而增加。但是，在此为简单起见，设发动机状态为恒定，理论堆积量线性增加。另一方面，如果DPF4没有故障，则实际堆积量与理论堆积量完全相同地增加。此外，在图中，为了区别而将理论堆积量错开描绘，实际上，实际堆积量与理论堆积量重合。

如图6（b）所示，如果DPF4产生故障而PM流出至DPF4的下游，则实际堆积量的增加变缓。在图示例子中，实际堆积量从故障产生时点（圆内）起完全未增加。由此，由于差分（椭圆内）变大，所以如果差分成为规定值以上，则故障诊断部8诊断为DPF4出现故障。或者，故障诊断部8也可在增加速度差为规定值以上时，诊断为DPF4出现故障。

另外，如图6（c）所示，在DPF4本来就有故障时，理论堆积量以恒定的增加速度线性增加，与此相对，实际堆积量虽然也线性增加，但增加速度较小。在这种情况下，当差分为规定值以上或者增加速度差为规定值以上时，故障诊断部8也能够诊断为DPF4出现故障。

如图6（d）所示，当在内燃机2中发生了大量产生PM的故障的情况下，实际堆积量比理论堆积量更大地增加。由此，由于差分（椭圆内）变大，若差分为规定值以上，则故障诊断部8能够诊断为内燃机2发生了大量产生PM的故障。

如图6（e）所示，在故障诊断部8中，在实际堆积量比理论堆积量小的情况下，若理论堆积量与实际堆积量的差分为规定值以上，则诊断为DPF4出现故障，在在实际堆积量比理论堆积量大的情况下，若实际堆积量与理论堆积量的差分为规定值以上，则诊断为内燃机2出现故障。

在故障诊断部8中诊断出DPF4存在故障后，通过用视觉和听觉机构通知给操作者，能够尽快进行处理。

如以上说明那样，依照本发明的DPF故障检测方法（或DPF故障检测装置1），运算从内燃机2的运转状态起向DPF4的理论堆积量，根据静电电容型PM传感器6的静电电容来测定向DPF4的实际堆积量，相对于理论堆积量，当实际堆积量的偏差超过容许界限时，诊断为DPF4出现故障，因此，与专利文献1的方案相比，以简单的构成且低成本地实现了故障检测。即，静电电容型PM传感器6不需要高电压，构成变得非常简单，并且不需要进行电绝缘的安全对策，也不需要辐射噪声对策，因而成本变低。

符号的说明：

1 DPF故障检测装置

2 内燃机

3 排气管

4 柴油微粒过滤器（DPF）

5 理论堆积量运算部

6 静电电容型PM传感器

7 实际堆积量测定部

8 故障诊断部

Claims

1.一种柴油微粒过滤器故障检测方法，检测插入到排气管中的柴油微粒过滤器的故障，所述排气管将排出气体从内燃机引导至大气，该柴油微粒过滤器故障检测方法的特征在于，

运算从所述内燃机的运转状态起，粒状物质向所述柴油微粒过滤器的堆积量、即理论堆积量；

通过由配置于所述柴油微粒过滤器的2个电极构成的静电电容型粒状物质传感器的静电电容，测定粒状物质向所述柴油微粒过滤器的堆积量、即实际堆积量；以及

当实际堆积量相对于理论堆积量的偏差超过容许界限时，诊断为所述柴油微粒过滤器出现故障。

2.一种柴油微粒过滤器故障检测装置，检测插入到排气管中的柴油微粒过滤器的故障，所述排气管将排出气体从内燃机引导至大气，该柴油微粒过滤器故障检测装置的特征在于，具备：

理论堆积量运算部，运算从所述内燃机的运转状态起，粒状物质向所述柴油微粒过滤器的堆积量、即理论堆积量；

静电电容型粒状物质传感器，由配置于所述柴油微粒过滤器的2个电极构成；

实际堆积量测定部，通过所述静电电容型粒状物质传感器的静电电容，测定粒状物质向所述柴油微粒过滤器的堆积量、即实际堆积量；以及

故障诊断部，当由所述实际堆积量测定部测定的实际堆积量相对于由所述理论堆积量运算部运算的理论堆积量的偏差超过容许界限时，所述故障诊断部诊断为所述柴油微粒过滤器出现故障。

3.根据权利要求2所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述理论堆积量运算部具备：

粒状物质产生量运算部，运算由所述内燃机产生的粒状物质产生量；

粒状物质再生量运算部，运算由所述柴油微粒过滤器处的被动再生引起的粒状物质再生量；以及

减法运算部，从粒状物质产生量减去粒状物质再生量，用于理论堆积量的运算。

4.根据权利要求3所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述粒状物质产生量运算部，

基于发动机转速、燃料量、EGR率，运算由所述内燃机产生的基本的粒状物质量、即基本部分；

基于发动机转速、燃料量、空燃比，运算由所述内燃机产生的过渡的粒状物质量、即过渡部分；以及

作为基本部分和过渡部分的和，运算粒状物质产生量。

5.根据权利要求3或4所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述粒状物质再生量运算部，

基于空燃比、氧量、柴油微粒过滤器温度，运算在所述柴油微粒过滤器中由于热而再生的粒状物质量、即热再生部分；

基于NO₂产生量、排出气体温度、排出气体体积，运算由于与NO₂的反应而再生的粒状物质量、即NO₂再生部分；

作为热再生部分和NO₂再生部分的和，运算粒状物质再生量PMr。

6.根据权利要求3至5中的任一项所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述减法运算部由差分部和累积部构成，所述差分部求出粒状物质产生量与粒状物质再生量的差分，所述累积部在所述内燃机运转期间内对差分进行累积，

通过对粒状物质产生量与粒状物质再生量的差分进行累积，求出理论堆积量，

在柴油微粒过滤器强制再生时，将理论堆积量清零，而重新开始累积。

7.根据权利要求2至6中的任一项所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述静电电容型粒状物质传感器沿着所述柴油微粒过滤器的单侧设有1个电极，沿着相反侧设有另1个电极。

8.根据权利要求2至6中的任一项所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述静电电容型粒状物质传感器以覆盖所述柴油微粒过滤器整体的方式设有筒状的1个电极，在所述柴油微粒过滤器的中心部设有筒状的另1个电极。

9.根据权利要求2至6中的任一项所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述静电电容型粒状物质传感器以覆盖所述柴油微粒过滤器整体的方式设有筒状的1个电极，在所述柴油微粒过滤器的中心部设有另1个电极，所述另1个电极是配置有多根线而构成的。

10.根据权利要求2至6中的任一项所述的柴油微粒过滤器故障检测装置，其特征在于，

所述静电电容型粒状物质传感器在所述柴油微粒过滤器的上游和下游分别设有网状的电极。