JP2004308454A - パティキュレートフィルタの故障検知装置及びエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】パティキュレートフィルタの故障を正確に、かつその発生後早期に検知する。
【解決手段】パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさを検出し、これと所定値との比較によりパティキュレートフィルタの故障を検知する。１つの形態では、排気ガス状態量としてパティキュレートフィルタの下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出し、その脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを算出する。そして、脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐが所定値を上回るときに故障が生じたものと判断する。
【選択図】 図１１
【解決手段】パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさを検出し、これと所定値との比較によりパティキュレートフィルタの故障を検知する。１つの形態では、排気ガス状態量としてパティキュレートフィルタの下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出し、その脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを算出する。そして、脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐが所定値を上回るときに故障が生じたものと判断する。
【選択図】 図１１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パティキュレートフィルタの故障検知装置に関し、詳細には、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れやその目封じの抜けといった故障が生じたことを検知するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パティキュレートフィルタとして、セラミック等をハニカム状モノリスに成形するとともに、蜂の巣状の通路の入口側及び出口側で交互に目封じを設けてフィルタエレメントを構成し、これをケースに内蔵させたものが知られている。パティキュレートフィルタは、流入した排気ガスがフィルタエレメントの通路を隔てる壁部を通過する際に粒子状物質（以下「パティキュレート」という。）を捕集し、これを排気ガスから除去するものである。そして、このようなパティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じたことを検知する機能を持たせたエンジンの排気ガス浄化装置として、次のようなものが知られている。すなわち、エンジンの排気通路に排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタを介装するとともに、排気還流（以下「ＥＧＲ」という。）通路にＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁を介装し、吸入空気量を目標値に近付けるようにＥＧＲ弁開度をフィードバック制御するものにおいて、ＥＧＲ弁開度をフィードバック制御している際にＥＧＲ弁開度がある規定値を超えたときは、パティキュレートフィルタに故障が生じたものとして、これを検知するのである（下記特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２０７８２８号公報（段落番号０００８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものには、次のような問題がある。すなわち、上記の装置によるパティキュレートフィルタの故障検知は、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じると、パティキュレートフィルタ前後における圧損が低下して吸排気系間に生じる差圧が小さくなるため、ＥＧＲガスの流量を一定に保つために必要とされるＥＧＲ弁開度が正常時よりも大きくなることに基づくものである。ここで、パティキュレートフィルタ前後における圧損は、パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートの量が少ないときと、これよりも多くのパティキュレートが堆積しているがパティキュレートフィルタに故障が生じているときとで同一の低い値をとる場合がある。従って、両者のいずれの場合であるかを判別するため、エンジンの運転状態によるものに加えて、正常及び故障の判断のしきい値をパティキュレートの堆積状況に応じて変更することが必要となる。一方、そのようにしきい値を変更しない場合は、故障検知を行う時期をパティキュレートの堆積状況との関係で制限することが必要となり、故障検知を行う頻度が低下するため、現に故障が生じているのにこれが検知されないことが考えられる。
【０００５】
このような実状に鑑み、本発明は、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じた場合は、正常時と比較して、パティキュレートフィルタの上流における排気ガス状態量の非定常変化がその下流により大きく伝わるという技術的知見に基づき、パティキュレートの堆積状況によらず、常に、あるいは適時に故障を検知することのできるパティキュレートフィルタの故障検知装置、及びそのような機能を持たせたエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の度合いを検出し、これが正常を示す規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断される構成を採用する。
【０００７】
本発明に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置は、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさを非定常変化量として検出する非定常変化量検出手段と、前記排気ガス状態量の非定常変化の大きさに関して、パティキュレートフィルタの正常及び故障の判断のしきい値となる基準変化量を設定する基準変化量設定手段と、検出された非定常変化量が基準変化量により定められる規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断する故障検知手段と、を含んで構成される。
【０００８】
このように、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の度合いからパティキュレートフィルタの故障が検知される構成を採用することで、パティキュレートフィルタに多量のパティキュレートが堆積している場合であっても、またパティキュレートが殆ど堆積していない場合であっても、パティキュレートの堆積状況との関係でしきい値である基準変化量を変更することなく故障を検知することが可能となる。
【０００９】
本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジンの排気通路に介装され、そのエンジンから排出された排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、このパティキュレートフィルタの故障を検知する上記の装置と、を含んで構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成図である。
【００１１】
エンジン１において、吸気通路１１の導入部には、吸入空気中の粉塵を除去するためのエアクリーナ１２が取り付けられている。エアクリーナ１２の下流には、吸入空気量を測定するためのエアフローメータ１３が設置されている。エアクリーナ１２及びエアフローメータ１３を通過した吸入空気は、コレクタ１４に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。
【００１２】
エンジン本体において、インジェクタ２１は、気筒毎に燃焼室上部略中央に臨ませてシリンダヘッドに固定されている。エンジン１の燃料系は、コモンレール２２を含んで構成され、燃料ポンプ２３により圧送された燃料が、コモンレール２２から規定圧力で各インジェクタ２１に供給される。インジェクタ２１は、後述する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）からの燃料噴射制御信号により作動する。インジェクタ２１による燃料噴射は、複数回に分けて行われ、インジェクタ２１は、エンジン１のトルクを制御するためのメイン噴射以外に、発生するパティキュレートを減少させるためのパイロット噴射、及び後述するディーゼルパティキュレートフィルタ３２を再生させる際に排気ガス温度を上昇させるためのポスト噴射を行う。
【００１３】
一方、排気通路３１において、マニホールド部の下流には、パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ３２が設置されている。排気ガス中のパティキュレートは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過する際にこれに内蔵されている多孔質のフィルタエレメント３２１により捕集され、排気ガスから除去される。また、排気通路３１と吸気通路１１（ここでは、コレクタ１４）とがＥＧＲのためのＥＧＲ管４１により接続されるとともに、ＥＧＲ管４１にＥＧＲ弁４２が介装されている。ＥＧＲ弁４２がＥＣＵ６１からのＥＧＲ制御信号により作動することで、開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。
【００１４】
以上のように構成されるエンジン１の排気ガス浄化装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２と、その故障検知装置としての機能を備えるＥＣＵ６１及び各種センサとを含んで構成される。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成図である。
エンジン１において、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流には、排気通路３１の一部となるテールパイプ３１１が接続されており、テールパイプ３１１には、その内部における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出するための圧力センサ５１が設置されている。圧力センサ５１からの排気ガス圧力検出信号は、ＥＣＵ６１に入力される。ＥＣＵ６１には、これ以外にも、エンジン１の運転状態を示す信号としてエアフローメータ１３からの吸入空気量検出信号、アクセル開度センサ５２からのアクセル開度検出信号及びクランク角センサ５３からのクランク角位置検出信号（これに基づいてエンジン回転数Ｎｅが算出される。）が入力される。ＥＣＵ６１は、入力した信号に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２が正常な状態にあるか、あるいはこれに故障が生じているかを判断し、故障が生じている場合は、車室内に設置された運転者に対する故障警告灯７１を点灯させる。
【００１６】
図３は、ＥＣＵ６１のうちディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知に関する部分の構成図である。
ＥＣＵ６１は、排気ガス圧力検出信号として、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの大きさ応じた値の電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔを入力する。圧力換算部１０１は、電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔを入力し、図４に示すテーブルによりこれを排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔに換算する。平均圧力演算部１０２は、図５に示すように構成され、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを入力し、これに基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力の平均値Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅを算出する。すなわち、平均圧力演算部１０２は、新たに入力した排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの前回に算出した排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔ−１に対する重み付けを設定し、下式（１）により両者を平均化して、平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅを算出する。なお、重み付けを定める係数ｘ１は、０よりも大きく、かつ１以下の値に設定される。算出された平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２を再生すべき時期の判断のための別のルーチン等で用いられる。ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の再生時期は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流に設置された圧力センサにより（図示せず）検出された上流側排気ガス圧力と、平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅとの差から判断される。
【００１７】
Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅ＝Ｐｅｘｈｏｕｔ×ｘ１＋Ｐｅｘｈｏｕｔ−１×（１−ｘ１） ・・・（１）
脈動振幅演算部１０３は、最大及び最小圧力演算部１０４と減算部とを含んで構成され、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを算出する。最大及び最小圧力演算部１０４は、図６に示すように構成され、故障検知ルーチンの演算周期と設定されたバッファＺ−１の数とに応じて定まる時間内での排気ガス圧力の最大値Ｐｅｘｈｏｕｔｍａｘ及び最小値Ｐｅｘｈｏｕｔｍｉｎを算出する。バッファＺ−１の数は、演算周期や気筒数等との関係で適当なものが設定され、たとえば演算周期が１０ｍｓｅｃであり、５つのバッファＺ−１が設定された場合は、１００ｍｓｅｃの間での最大値及び最小値が算出されることになる。そして、減算部によりこれらの差Ｐｅｘｈｏｕｔｍａｘ−Ｐｅｘｈｏｕｔｍｉｎを算出し、これを脈動振幅（「非定常変化量」に相当する。）Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐとして後述する比較部１０５に出力する。
【００１８】
一方、単位換算部１０６は、目標燃料噴射量（アクセル開度に応じた値に設定される。）Ｑｆとシリンダへの流入空気量Ｑｃとの和を１シリンダ、かつ１ストローク当たりの量として入力し、次式（２）によりこれを単位時間当たりの量に換算し、排気ガス流量Ｑｅｘｈとして出力する。なお、単位換算のための係数をＫとする。
【００１９】
Ｑｅｘｈ＝（Ｑｃ＋Ｑｆ）×Ｎｅ／Ｋ ・・・（２）
基準変化量設定部１０７は、排気ガス流量Ｑｅｘｈを入力し、図７に示すテーブルにより故障判断のしきい値としての基準変化量の基本値ＡｍｐＳＬＢを算出する。このテーブルは、一定量の排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して与えられる基本値ＡｍｐＳＬＢの増大分が、排気ガス流量Ｑｅｘｈが大きいときほど大きくなるように、排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して基本値ＡｍｐＳＬＢが２次的な変化で増大するように設定されている。補正値設定部１０８は、エンジン回転数Ｎｅ及び目標燃料噴射量Ｑｆを入力し、図８に示すテーブルにより基本値ＡｍｐＳＬＢに対する補正値ＡｍｐＳＬＣを算出する。補正値ＡｍｐＳＬＣは、エンジン回転数Ｎｅが大きく、かつ目標燃料噴射量Ｑｆが大きいときほど大きな値に設定される。そして、加算部により基準変化量の基本値ＡｍｐＳＬＢ及び補正値ＡｍｐＳＬＣの和を算出し、これを基準変化量ＡｍｐＳＬとして比較部１０５に出力する。
【００２０】
比較部１０５は、脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ及び基準変化量ＡｍｐＳＬを入力し、これらを比較して、ＰｅｘｈｏｕｔａｍｐがＡｍｐＳＬよりも大きいときに故障検知フラグＦｄｐｆに１を、ＰｅｘｈｏｕｔａｍｐがＡｍｐＳＬ以下であるときにこれに０を代入する。故障判断部１０９は、図９に示すように構成され、新たに入力した故障検知フラグＦｄｐｆの前回に算出した故障検知指数Ｉ−１に対する重み付けを設定するとともに、下式（３）により両者を平均化し、これを故障検知指数Ｉに設定する。なお、重み付けを定める係数ｘ２は、０よりも大きく、かつ１以下の値に設定される。そして、故障検知指数Ｉと定数Ｃ（０＜Ｃ＜１）とを比較し、ＩがＣよりも大きいときに最終的な故障検知フラグＦｄｐｆに１を、ＩがＣ以下であるときにこれに０を代入する。ＥＣＵ６１は、故障検知フラグＦｄｐｆが最終的に１に設定されたときに故障警告灯７１を点灯させる。
【００２１】
Ｉ＝Ｆｄｐｆ×ｘ２＋Ｉ−１×（１−ｘ２） ・・・（３）
本実施形態に関して、圧力センサ５１、圧力換算部１０１及び脈動振幅演算部１０３（最大及び最小圧力演算部１０４及び減算部を含んで構成される。）が非定常変化量検出手段を、基準変化量設定部１０７、補正値設定部１０８及びこれらの下流の加算部が基準変化量設定手段を、比較部１０５及び故障判断部１０９が故障検知手段を構成する。
【００２２】
次に、本実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の動作を説明する。
図１０は、正常時におけるディーゼルパティキュレートフィルタ３２のフィルタエレメント３２１の状態（ａ）と、ＥＣＵ６１により検知される故障時におけるフィルタエレメント３２１の状態（ｂ），（ｃ）とを示している。本実施形態では、フィルタエレメント３２１に（ｂ）に示すような隔壁の割れＡが生じたことによる故障や、（ｃ）に示すような目封じ３２２の抜けＢが生じたことによる故障が検知される。
【００２３】
図１１は、正常時及び故障時にディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの波形と、下流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの波形とを示している。正常時のものを（ａ）に、故障時のものを（ｂ），（ｃ）に示し、故障の程度に応じて部分故障時（ｂ）と完全故障時（ｃ）とに分けて示している。正常時には、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの脈動は、排気ガスがフィルタエレメント３２１を通過する際に充分に減衰するため、下流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔは、Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ１で示すように脈動振幅が小さい。
【００２４】
フィルタエレメント３２１に割れや目封じの抜け等が生じて部分故障に至ると、排気ガスの一部は、フィルタエレメント３２１の隔壁を介さずに、割れ等により生じた隙間を介してディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過するようになる。このため、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの脈動が下流に伝わるようになり、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅は、Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ２で示すように大きくなる。ＥＣＵ６１は、脈動振幅演算部１０３及び比較部１０５により基準変化量ＡｍｐＳＬよりも大きい脈動振幅Ｐｅｘｈｐｕｔａｍｐが検出されたときにディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたものと判断し、故障警告灯７１を点灯させる。運転者は、故障警告灯７１の点灯により故障発生後の早い時期にディーゼルパティキュレートフィルタ３２を交換するなどの措置を採ることができる。
【００２５】
図１２は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に堆積しているパティキュレートの量（以下「パティキュレート堆積量」という。）ＰＭと、フィルタエレメント３２１の等価有効面積Ａｒｅａとの関係を、正常時及び故障時について示している。正常時及び故障時のいずれにおいても、等価有効面積Ａｒｅａは、パティキュレート堆積量ＰＭの増大に伴って減少する。しかしながら、正常時と部分故障時との間で同じ値のパティキュレート堆積量ＰＭ１に対する等価有効面積Ａｒｅａにそれ程大きな差が生じることはなく、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損は、それ程大きくは低下しない（図１１のΔＰｄｐｆ１，ΔＰｄｐｆ２）。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障をディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損の大きさの変化から検知しようとする一般的な方法を採用する場合は、等価有効面積Ａｒｅａがさらに大きく低下する完全故障時まで故障が発生したことを検知することができず、たとえ検知したとしてもそれまでに多量のパティキュレートが大気中に放出されることになる。本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知する構成を採用したことで、完全故障に至る前に故障を検知することができる。
【００２６】
また、同じ大きさの等価有効面積Ａｒｅａは、パティキュレート堆積量ＰＭが多い正常時と、パティキュレート堆積量ＰＭがこれよりも少ない故障時とで同一の値Ａｒｅａ１をとり得る。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損による方法では、両者のいずれの場合であるかを判別することができず、判別を可能とするには、正常及び故障の判断のしきい値をパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更することが必要となる。本実施形態では、下流側排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知する構成を採用したことで、基準変化量ＡｍｐＳＬをパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更することなく故障を検知することができる。
【００２７】
なお、等価有効面積Ａｒｅａは、排気ガスの流量及び密度をＱｅｘｈ，ρとし、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧をΔＰｄｐｆとすると、下式（４）で表される。
【００２８】
Ａｒｅａ＝Ｑｅｘｈ／√（２ρ×ΔＰｄｐｆ） ・・・（４）
図１３は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に一定量のパティキュレートを流入させたときに形成されるディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧（以下「フィルタ前後差圧」という。）ΔＰｄｐｆと、フィルタエレメント３２１により捕集されずにディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過したパティキュレートの量（以下「パティキュレート吹抜量」という。）Ｑｐｍとを正常時、部分故障時及び完全故障時について示している。正常時には、フィルタエレメント３２１により殆どのパティキュレートが捕集され、大きなフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆ１が形成される。一方、部分故障時には、正常時と比較してフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆにそれ程大きな変化は現れないが、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは数倍に増大する。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたときは、早期にこれを検知することが重要となる。本実施形態では、前述のように故障を早期に検知し、多量のパティキュレートが大気中に放出されることを防止することができる。
【００２９】
図１４は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における圧力脈動の大きさ（排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐとして検出される。）と、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍとの関係を示している。パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは、圧力脈動が大きいときほど多くなる。ここで、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障が進行するほど増大するものであるので、圧力脈動の大きさに基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障の程度を判断し、基準変化量ＡｍｐＳＬとの比較により故障を検知することができる。
【００３０】
本実施形態により得られる効果をまとめると次のようである。
第１に、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさとして、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを検出し、これと基準変化量ＡｍｐＳＬとの比較によりディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障を検知することとした。これにより、基準変化量ＡｍｐＳＬをパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更せずとも的確に故障を検知することが可能となる。
【００３１】
第２に、下流側排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知することとした。これにより、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障を早期に、すなわち、正常時と比較してフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆにそれ程大きな差が現れない部分故障の段階で検知することが可能となる。
【００３２】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図１５は、第２の実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成図である。
【００３３】
本実施形態では、排気通路３１において、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆを検出するための差圧センサ５５が設置されており、その検出信号は、ＥＣＵ６１１に入力される。これ以外にＥＣＵ６１１に入力される信号として、エアフローメータ１３からの吸入空気量検出信号、アクセル開度センサ５２からのアクセル開度検出信号及びクランク角センサ５３からのクランク角位置検出信号が含まれる。ＥＣＵ６１１は、入力した信号に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたことを検知すると、故障警告灯７１を点灯させる。
【００３４】
図１６は、ＥＣＵ６１１のうちディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知に関する部分の構成図である。
故障検知装置の構成は、全体的には第１の実施形態に係るものと同様である。両者の相違は、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆに相当する電圧ｖΔＰｄｐｆが入力され、脈動振幅演算部２０３において、換算後の差圧ΔＰｄｐｆの最大値及び最小値の差が算出され、これが脈動振幅（「非定常変化量」に相当する。）ΔＰｄｐｆａｍｐとして出力される点にある。これに伴い、比較部２０５では、脈動振幅ΔＰｄｐｆａｍｐが基準変化量ＡｍｐＳＬよりも小さいときに故障が発生したものと判断され、故障検知フラグＦｄｐｆに１が代入されることになる。なお、ここで設定される基準変化量ＡｍｐＳＬは、第１の実施形態に係るものと値自体は異なるが、排気ガス流量Ｑｅｘｈとの関係は同様であり、排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して基本値ＡｍｐＳＬＢを２次的に増大させて設定される。
【００３５】
本実施形態によれば、第１の実施形態に関して述べた第１及び第２の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆを検出し、非定常変化量としてその脈動振幅ΔＰｄｐｆａｍｐを検出することとしたので、差圧ΔＰｄｐｆの定常成分として、たとえば（１）式と同様な演算により差圧ΔＰｄｐｆの平均値ΔＰｄｐｆａｖｅを算出し、これをディーゼルパティキュレートフィルタ３２の再生時期の判断にそのまま用いることができる。
【００３６】
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔのサンプリング周期を、エンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定する。図１７は、脈動基本周波数ｆと、要求されるサンプリング周波数ｆｓ及びサンプリング周期Ｔｓとの関係を示している。たとえばエンジン１の気筒数が４であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知時に予測される最高回転数が４８００ｒｐｍである場合を想定すると、脈動基本周波数ｆは、下式（５）により１６０Ｈｚとなる。なお、気筒数をＺとし、エンジン回転数をＮｅとする。
【００３７】
ｆ＝Ｚ×（Ｎｅ／６０）×（１／２） ・・・（５）
また、１６０Ｈｚの脈動基本周波数ｆに対してエンジン排気脈動周期の半分の長さの周期を与えるサンプリング周波数ｆｓは、１６０Ｈｚの２倍の３２０Ｈｚであるから、要求されるサンプリング周期Ｔｓは、その逆数である３．１ｍｓとなる。従って、Ｚ＝４、かつＮｅ＝４８００とした場合は、サンプリング周期を３．１ｍｓ以下に設定すればよい。
【００３８】
本実施形態によれば、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔのサンプリング周期をエンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定したので、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動に関する情報を理論的に失うことなく（Ｓｈａｎｎｏｎ’ｓ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｅｍ）高周波ノイズの影響を回避し、故障の誤検知を防止することができる。
【００３９】
次に、第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、エンジン回転数Ｎｅに応じた大きさのフィルタ時定数ｘ３を設定し、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにこのフィルタ時定数ｘ３によるフィルタリングを施したものが排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔに換算されるように構成する。すなわち、図１８に示すフィルタを圧力換算部１０１に組み込み、下式（６）により電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにフィルタリングを施す。フィルタ時定数ｘ３は、図１９に示すテーブルから検索され、エンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きな値に設定される。
【００４０】
ｖＰｅｘｈｏｕｔ＝ｖＰｅｘｈｏｕｔ×ｘ３＋ｖＰｅｘｈｏｕｔ−１×（１−ｘ３） ・・・（６）
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにフィルタリングを施すこととし、その際に用いるフィルタ時定数ｘ３をエンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きな値に設定することとした。これにより、エンジン１の高回転時には、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの変化に対する検出応答性を確保することができる一方、低回転時には、フィルタを強くかけて高周波ノイズの影響による故障の誤検出を防止することができる。なお、ここではフィルタリングの機能をソフトウェアにより実現する場合を例に説明したが、同様の機能をハードウェアにより実現することも可能である。
【００４１】
次に、第５の実施形態について説明する。
本実施形態では、ＥＣＵ６１の基盤上に図２０に示すバンドパスフィルタ３０１を設置し、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔから低周波及び高周波ノイズを除去したものを圧力換算部１０１に入力する。バンドパスフィルタ３０１は、多重帰還型バンドパスフィルタとして構成し、入力部３０２を圧力センサ５１に、出力部３０３をＥＣＵ６１のＡＤ変換ポートに接続する。フィルタのカットオフ周波数ｆ０は、図１７のサンプリング周波数、すなわち、エンジン排気脈動周期の半分以下の長さの周期を与える周波数に設定し、コンデンサ容量Ｃ及び各抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５は、下式（７）〜（９）により設定する。
【００４２】
ｆ０＝（１／２πＣ）×√｛（１／Ｒ５）×（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）｝ ・・・（７）
Ｑ＝（１／２）×√｛Ｒ５×（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）｝ ・・・（８）
Ａ＝Ｒ５／２Ｒ１ ・・・（９）
本実施形態に関して、圧力センサ５１、バンドパスフィルタ３０１、圧力換算部１０１及び脈動振幅演算部１０３が非定常変化量検出部を構成する。
【００４３】
本実施形態によれば、高周波ノイズに加えて、電源の電圧変動やグランドの浮きといった低周波ノイズを除去することもできるため、より的確に故障を検知することができる。
【００４４】
なお、第３〜５の実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出する圧力センサ５１を備えるものを例に説明した。しかしながら、フィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆを検出する差圧センサ５５を備えるものにおいて、サンプリング周期をエンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定し、エンジン回転数に応じた大きさのフィルタ時定数によるフィルタリングを施し、あるいはバンドパスフィルタを設置しても、それぞれの構成に応じた上記の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの構成
【図２】同上実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成
【図３】同上故障検知装置としてのＥＣＵの構成
【図４】圧力センサからの出力と排気ガス圧力との関係
【図５】平均圧力演算部の構成
【図６】最大及び最小圧力演算部の構成
【図７】排気ガス流量と基準変化量の基本値との関係
【図８】エンジン回転数及び目標燃料噴射量と基準変化量の補正値との関係
【図９】故障判断部の構成
【図１０】正常時と故障時とにおけるディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタエレメントの状態
【図１１】ディーゼルパティキュレートフィルタの下流における圧力脈動の故障による変化
【図１２】ディーゼルパティキュレートフィルタの等価有効面積の故障による変化
【図１３】フィルタ前後差圧及びパティキュレート吹抜量の故障による変化
【図１４】ディーゼルパティキュレートフィルタの下流における圧力脈動とパティキュレート吹抜量との関係
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成
【図１６】同上故障検知装置としてのＥＣＵの構成
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る排気ガス状態量のサンプリング周期の設定
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る圧力換算部の構成
【図１９】フィルタ時定数の設定
【図２０】本発明の第５の実施形態に係るバンドパスフィルタの構成
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン、１１…吸気通路、１２…エアクリーナ、１３…エアフローメータ、１４…コレクタ、２１…インジェクタ、３１…排気通路、３１１…テールパイプ、３２…パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ、３２１…フィルタエレメント、４１…ＥＧＲ管、４２…ＥＧＲ弁、５１…圧力センサ、５５…差圧センサ、６１，６１１…電子制御ユニット、７１…故障警告灯、３０１…バンドパスフィルタ、Ａ…フィルタエレメントの割れ、Ｂ…フィルタエレメントの目封じの抜け。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パティキュレートフィルタの故障検知装置に関し、詳細には、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れやその目封じの抜けといった故障が生じたことを検知するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パティキュレートフィルタとして、セラミック等をハニカム状モノリスに成形するとともに、蜂の巣状の通路の入口側及び出口側で交互に目封じを設けてフィルタエレメントを構成し、これをケースに内蔵させたものが知られている。パティキュレートフィルタは、流入した排気ガスがフィルタエレメントの通路を隔てる壁部を通過する際に粒子状物質（以下「パティキュレート」という。）を捕集し、これを排気ガスから除去するものである。そして、このようなパティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じたことを検知する機能を持たせたエンジンの排気ガス浄化装置として、次のようなものが知られている。すなわち、エンジンの排気通路に排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタを介装するとともに、排気還流（以下「ＥＧＲ」という。）通路にＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁を介装し、吸入空気量を目標値に近付けるようにＥＧＲ弁開度をフィードバック制御するものにおいて、ＥＧＲ弁開度をフィードバック制御している際にＥＧＲ弁開度がある規定値を超えたときは、パティキュレートフィルタに故障が生じたものとして、これを検知するのである（下記特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２０７８２８号公報（段落番号０００８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものには、次のような問題がある。すなわち、上記の装置によるパティキュレートフィルタの故障検知は、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じると、パティキュレートフィルタ前後における圧損が低下して吸排気系間に生じる差圧が小さくなるため、ＥＧＲガスの流量を一定に保つために必要とされるＥＧＲ弁開度が正常時よりも大きくなることに基づくものである。ここで、パティキュレートフィルタ前後における圧損は、パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレートの量が少ないときと、これよりも多くのパティキュレートが堆積しているがパティキュレートフィルタに故障が生じているときとで同一の低い値をとる場合がある。従って、両者のいずれの場合であるかを判別するため、エンジンの運転状態によるものに加えて、正常及び故障の判断のしきい値をパティキュレートの堆積状況に応じて変更することが必要となる。一方、そのようにしきい値を変更しない場合は、故障検知を行う時期をパティキュレートの堆積状況との関係で制限することが必要となり、故障検知を行う頻度が低下するため、現に故障が生じているのにこれが検知されないことが考えられる。
【０００５】
このような実状に鑑み、本発明は、パティキュレートフィルタにフィルタエレメントの割れ等の故障が生じた場合は、正常時と比較して、パティキュレートフィルタの上流における排気ガス状態量の非定常変化がその下流により大きく伝わるという技術的知見に基づき、パティキュレートの堆積状況によらず、常に、あるいは適時に故障を検知することのできるパティキュレートフィルタの故障検知装置、及びそのような機能を持たせたエンジンの排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の度合いを検出し、これが正常を示す規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断される構成を採用する。
【０００７】
本発明に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置は、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさを非定常変化量として検出する非定常変化量検出手段と、前記排気ガス状態量の非定常変化の大きさに関して、パティキュレートフィルタの正常及び故障の判断のしきい値となる基準変化量を設定する基準変化量設定手段と、検出された非定常変化量が基準変化量により定められる規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断する故障検知手段と、を含んで構成される。
【０００８】
このように、パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の度合いからパティキュレートフィルタの故障が検知される構成を採用することで、パティキュレートフィルタに多量のパティキュレートが堆積している場合であっても、またパティキュレートが殆ど堆積していない場合であっても、パティキュレートの堆積状況との関係でしきい値である基準変化量を変更することなく故障を検知することが可能となる。
【０００９】
本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジンの排気通路に介装され、そのエンジンから排出された排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、このパティキュレートフィルタの故障を検知する上記の装置と、を含んで構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直噴ディーゼルエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成図である。
【００１１】
エンジン１において、吸気通路１１の導入部には、吸入空気中の粉塵を除去するためのエアクリーナ１２が取り付けられている。エアクリーナ１２の下流には、吸入空気量を測定するためのエアフローメータ１３が設置されている。エアクリーナ１２及びエアフローメータ１３を通過した吸入空気は、コレクタ１４に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。
【００１２】
エンジン本体において、インジェクタ２１は、気筒毎に燃焼室上部略中央に臨ませてシリンダヘッドに固定されている。エンジン１の燃料系は、コモンレール２２を含んで構成され、燃料ポンプ２３により圧送された燃料が、コモンレール２２から規定圧力で各インジェクタ２１に供給される。インジェクタ２１は、後述する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）からの燃料噴射制御信号により作動する。インジェクタ２１による燃料噴射は、複数回に分けて行われ、インジェクタ２１は、エンジン１のトルクを制御するためのメイン噴射以外に、発生するパティキュレートを減少させるためのパイロット噴射、及び後述するディーゼルパティキュレートフィルタ３２を再生させる際に排気ガス温度を上昇させるためのポスト噴射を行う。
【００１３】
一方、排気通路３１において、マニホールド部の下流には、パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ３２が設置されている。排気ガス中のパティキュレートは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過する際にこれに内蔵されている多孔質のフィルタエレメント３２１により捕集され、排気ガスから除去される。また、排気通路３１と吸気通路１１（ここでは、コレクタ１４）とがＥＧＲのためのＥＧＲ管４１により接続されるとともに、ＥＧＲ管４１にＥＧＲ弁４２が介装されている。ＥＧＲ弁４２がＥＣＵ６１からのＥＧＲ制御信号により作動することで、開度に応じた適量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。
【００１４】
以上のように構成されるエンジン１の排気ガス浄化装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２と、その故障検知装置としての機能を備えるＥＣＵ６１及び各種センサとを含んで構成される。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成図である。
エンジン１において、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流には、排気通路３１の一部となるテールパイプ３１１が接続されており、テールパイプ３１１には、その内部における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出するための圧力センサ５１が設置されている。圧力センサ５１からの排気ガス圧力検出信号は、ＥＣＵ６１に入力される。ＥＣＵ６１には、これ以外にも、エンジン１の運転状態を示す信号としてエアフローメータ１３からの吸入空気量検出信号、アクセル開度センサ５２からのアクセル開度検出信号及びクランク角センサ５３からのクランク角位置検出信号（これに基づいてエンジン回転数Ｎｅが算出される。）が入力される。ＥＣＵ６１は、入力した信号に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２が正常な状態にあるか、あるいはこれに故障が生じているかを判断し、故障が生じている場合は、車室内に設置された運転者に対する故障警告灯７１を点灯させる。
【００１６】
図３は、ＥＣＵ６１のうちディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知に関する部分の構成図である。
ＥＣＵ６１は、排気ガス圧力検出信号として、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの大きさ応じた値の電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔを入力する。圧力換算部１０１は、電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔを入力し、図４に示すテーブルによりこれを排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔに換算する。平均圧力演算部１０２は、図５に示すように構成され、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを入力し、これに基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力の平均値Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅを算出する。すなわち、平均圧力演算部１０２は、新たに入力した排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの前回に算出した排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔ−１に対する重み付けを設定し、下式（１）により両者を平均化して、平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅを算出する。なお、重み付けを定める係数ｘ１は、０よりも大きく、かつ１以下の値に設定される。算出された平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２を再生すべき時期の判断のための別のルーチン等で用いられる。ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の再生時期は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流に設置された圧力センサにより（図示せず）検出された上流側排気ガス圧力と、平均排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅとの差から判断される。
【００１７】
Ｐｅｘｈｏｕｔａｖｅ＝Ｐｅｘｈｏｕｔ×ｘ１＋Ｐｅｘｈｏｕｔ−１×（１−ｘ１） ・・・（１）
脈動振幅演算部１０３は、最大及び最小圧力演算部１０４と減算部とを含んで構成され、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを算出する。最大及び最小圧力演算部１０４は、図６に示すように構成され、故障検知ルーチンの演算周期と設定されたバッファＺ−１の数とに応じて定まる時間内での排気ガス圧力の最大値Ｐｅｘｈｏｕｔｍａｘ及び最小値Ｐｅｘｈｏｕｔｍｉｎを算出する。バッファＺ−１の数は、演算周期や気筒数等との関係で適当なものが設定され、たとえば演算周期が１０ｍｓｅｃであり、５つのバッファＺ−１が設定された場合は、１００ｍｓｅｃの間での最大値及び最小値が算出されることになる。そして、減算部によりこれらの差Ｐｅｘｈｏｕｔｍａｘ−Ｐｅｘｈｏｕｔｍｉｎを算出し、これを脈動振幅（「非定常変化量」に相当する。）Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐとして後述する比較部１０５に出力する。
【００１８】
一方、単位換算部１０６は、目標燃料噴射量（アクセル開度に応じた値に設定される。）Ｑｆとシリンダへの流入空気量Ｑｃとの和を１シリンダ、かつ１ストローク当たりの量として入力し、次式（２）によりこれを単位時間当たりの量に換算し、排気ガス流量Ｑｅｘｈとして出力する。なお、単位換算のための係数をＫとする。
【００１９】
Ｑｅｘｈ＝（Ｑｃ＋Ｑｆ）×Ｎｅ／Ｋ ・・・（２）
基準変化量設定部１０７は、排気ガス流量Ｑｅｘｈを入力し、図７に示すテーブルにより故障判断のしきい値としての基準変化量の基本値ＡｍｐＳＬＢを算出する。このテーブルは、一定量の排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して与えられる基本値ＡｍｐＳＬＢの増大分が、排気ガス流量Ｑｅｘｈが大きいときほど大きくなるように、排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して基本値ＡｍｐＳＬＢが２次的な変化で増大するように設定されている。補正値設定部１０８は、エンジン回転数Ｎｅ及び目標燃料噴射量Ｑｆを入力し、図８に示すテーブルにより基本値ＡｍｐＳＬＢに対する補正値ＡｍｐＳＬＣを算出する。補正値ＡｍｐＳＬＣは、エンジン回転数Ｎｅが大きく、かつ目標燃料噴射量Ｑｆが大きいときほど大きな値に設定される。そして、加算部により基準変化量の基本値ＡｍｐＳＬＢ及び補正値ＡｍｐＳＬＣの和を算出し、これを基準変化量ＡｍｐＳＬとして比較部１０５に出力する。
【００２０】
比較部１０５は、脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ及び基準変化量ＡｍｐＳＬを入力し、これらを比較して、ＰｅｘｈｏｕｔａｍｐがＡｍｐＳＬよりも大きいときに故障検知フラグＦｄｐｆに１を、ＰｅｘｈｏｕｔａｍｐがＡｍｐＳＬ以下であるときにこれに０を代入する。故障判断部１０９は、図９に示すように構成され、新たに入力した故障検知フラグＦｄｐｆの前回に算出した故障検知指数Ｉ−１に対する重み付けを設定するとともに、下式（３）により両者を平均化し、これを故障検知指数Ｉに設定する。なお、重み付けを定める係数ｘ２は、０よりも大きく、かつ１以下の値に設定される。そして、故障検知指数Ｉと定数Ｃ（０＜Ｃ＜１）とを比較し、ＩがＣよりも大きいときに最終的な故障検知フラグＦｄｐｆに１を、ＩがＣ以下であるときにこれに０を代入する。ＥＣＵ６１は、故障検知フラグＦｄｐｆが最終的に１に設定されたときに故障警告灯７１を点灯させる。
【００２１】
Ｉ＝Ｆｄｐｆ×ｘ２＋Ｉ−１×（１−ｘ２） ・・・（３）
本実施形態に関して、圧力センサ５１、圧力換算部１０１及び脈動振幅演算部１０３（最大及び最小圧力演算部１０４及び減算部を含んで構成される。）が非定常変化量検出手段を、基準変化量設定部１０７、補正値設定部１０８及びこれらの下流の加算部が基準変化量設定手段を、比較部１０５及び故障判断部１０９が故障検知手段を構成する。
【００２２】
次に、本実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の動作を説明する。
図１０は、正常時におけるディーゼルパティキュレートフィルタ３２のフィルタエレメント３２１の状態（ａ）と、ＥＣＵ６１により検知される故障時におけるフィルタエレメント３２１の状態（ｂ），（ｃ）とを示している。本実施形態では、フィルタエレメント３２１に（ｂ）に示すような隔壁の割れＡが生じたことによる故障や、（ｃ）に示すような目封じ３２２の抜けＢが生じたことによる故障が検知される。
【００２３】
図１１は、正常時及び故障時にディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの波形と、下流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの波形とを示している。正常時のものを（ａ）に、故障時のものを（ｂ），（ｃ）に示し、故障の程度に応じて部分故障時（ｂ）と完全故障時（ｃ）とに分けて示している。正常時には、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの脈動は、排気ガスがフィルタエレメント３２１を通過する際に充分に減衰するため、下流で検出される排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔは、Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ１で示すように脈動振幅が小さい。
【００２４】
フィルタエレメント３２１に割れや目封じの抜け等が生じて部分故障に至ると、排気ガスの一部は、フィルタエレメント３２１の隔壁を介さずに、割れ等により生じた隙間を介してディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過するようになる。このため、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の上流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｉｎの脈動が下流に伝わるようになり、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅は、Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐ２で示すように大きくなる。ＥＣＵ６１は、脈動振幅演算部１０３及び比較部１０５により基準変化量ＡｍｐＳＬよりも大きい脈動振幅Ｐｅｘｈｐｕｔａｍｐが検出されたときにディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたものと判断し、故障警告灯７１を点灯させる。運転者は、故障警告灯７１の点灯により故障発生後の早い時期にディーゼルパティキュレートフィルタ３２を交換するなどの措置を採ることができる。
【００２５】
図１２は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に堆積しているパティキュレートの量（以下「パティキュレート堆積量」という。）ＰＭと、フィルタエレメント３２１の等価有効面積Ａｒｅａとの関係を、正常時及び故障時について示している。正常時及び故障時のいずれにおいても、等価有効面積Ａｒｅａは、パティキュレート堆積量ＰＭの増大に伴って減少する。しかしながら、正常時と部分故障時との間で同じ値のパティキュレート堆積量ＰＭ１に対する等価有効面積Ａｒｅａにそれ程大きな差が生じることはなく、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損は、それ程大きくは低下しない（図１１のΔＰｄｐｆ１，ΔＰｄｐｆ２）。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障をディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損の大きさの変化から検知しようとする一般的な方法を採用する場合は、等価有効面積Ａｒｅａがさらに大きく低下する完全故障時まで故障が発生したことを検知することができず、たとえ検知したとしてもそれまでに多量のパティキュレートが大気中に放出されることになる。本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知する構成を採用したことで、完全故障に至る前に故障を検知することができる。
【００２６】
また、同じ大きさの等価有効面積Ａｒｅａは、パティキュレート堆積量ＰＭが多い正常時と、パティキュレート堆積量ＰＭがこれよりも少ない故障時とで同一の値Ａｒｅａ１をとり得る。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後における圧損による方法では、両者のいずれの場合であるかを判別することができず、判別を可能とするには、正常及び故障の判断のしきい値をパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更することが必要となる。本実施形態では、下流側排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知する構成を採用したことで、基準変化量ＡｍｐＳＬをパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更することなく故障を検知することができる。
【００２７】
なお、等価有効面積Ａｒｅａは、排気ガスの流量及び密度をＱｅｘｈ，ρとし、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧をΔＰｄｐｆとすると、下式（４）で表される。
【００２８】
Ａｒｅａ＝Ｑｅｘｈ／√（２ρ×ΔＰｄｐｆ） ・・・（４）
図１３は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に一定量のパティキュレートを流入させたときに形成されるディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧（以下「フィルタ前後差圧」という。）ΔＰｄｐｆと、フィルタエレメント３２１により捕集されずにディーゼルパティキュレートフィルタ３２を通過したパティキュレートの量（以下「パティキュレート吹抜量」という。）Ｑｐｍとを正常時、部分故障時及び完全故障時について示している。正常時には、フィルタエレメント３２１により殆どのパティキュレートが捕集され、大きなフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆ１が形成される。一方、部分故障時には、正常時と比較してフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆにそれ程大きな変化は現れないが、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは数倍に増大する。従って、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたときは、早期にこれを検知することが重要となる。本実施形態では、前述のように故障を早期に検知し、多量のパティキュレートが大気中に放出されることを防止することができる。
【００２９】
図１４は、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における圧力脈動の大きさ（排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐとして検出される。）と、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍとの関係を示している。パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは、圧力脈動が大きいときほど多くなる。ここで、パティキュレート吹抜量Ｑｐｍは、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障が進行するほど増大するものであるので、圧力脈動の大きさに基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障の程度を判断し、基準変化量ＡｍｐＳＬとの比較により故障を検知することができる。
【００３０】
本実施形態により得られる効果をまとめると次のようである。
第１に、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさとして、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐを検出し、これと基準変化量ＡｍｐＳＬとの比較によりディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障を検知することとした。これにより、基準変化量ＡｍｐＳＬをパティキュレート堆積量ＰＭに応じて変更せずとも的確に故障を検知することが可能となる。
【００３１】
第２に、下流側排気ガス圧力の脈動振幅Ｐｅｘｈｏｕｔａｍｐの大きさから故障を検知することとした。これにより、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障を早期に、すなわち、正常時と比較してフィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆにそれ程大きな差が現れない部分故障の段階で検知することが可能となる。
【００３２】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図１５は、第２の実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成図である。
【００３３】
本実施形態では、排気通路３１において、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆを検出するための差圧センサ５５が設置されており、その検出信号は、ＥＣＵ６１１に入力される。これ以外にＥＣＵ６１１に入力される信号として、エアフローメータ１３からの吸入空気量検出信号、アクセル開度センサ５２からのアクセル開度検出信号及びクランク角センサ５３からのクランク角位置検出信号が含まれる。ＥＣＵ６１１は、入力した信号に基づいてディーゼルパティキュレートフィルタ３２に故障が生じたことを検知すると、故障警告灯７１を点灯させる。
【００３４】
図１６は、ＥＣＵ６１１のうちディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知に関する部分の構成図である。
故障検知装置の構成は、全体的には第１の実施形態に係るものと同様である。両者の相違は、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆに相当する電圧ｖΔＰｄｐｆが入力され、脈動振幅演算部２０３において、換算後の差圧ΔＰｄｐｆの最大値及び最小値の差が算出され、これが脈動振幅（「非定常変化量」に相当する。）ΔＰｄｐｆａｍｐとして出力される点にある。これに伴い、比較部２０５では、脈動振幅ΔＰｄｐｆａｍｐが基準変化量ＡｍｐＳＬよりも小さいときに故障が発生したものと判断され、故障検知フラグＦｄｐｆに１が代入されることになる。なお、ここで設定される基準変化量ＡｍｐＳＬは、第１の実施形態に係るものと値自体は異なるが、排気ガス流量Ｑｅｘｈとの関係は同様であり、排気ガス流量Ｑｅｘｈの増大に対して基本値ＡｍｐＳＬＢを２次的に増大させて設定される。
【００３５】
本実施形態によれば、第１の実施形態に関して述べた第１及び第２の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２前後の差圧ΔＰｄｐｆを検出し、非定常変化量としてその脈動振幅ΔＰｄｐｆａｍｐを検出することとしたので、差圧ΔＰｄｐｆの定常成分として、たとえば（１）式と同様な演算により差圧ΔＰｄｐｆの平均値ΔＰｄｐｆａｖｅを算出し、これをディーゼルパティキュレートフィルタ３２の再生時期の判断にそのまま用いることができる。
【００３６】
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔのサンプリング周期を、エンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定する。図１７は、脈動基本周波数ｆと、要求されるサンプリング周波数ｆｓ及びサンプリング周期Ｔｓとの関係を示している。たとえばエンジン１の気筒数が４であり、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の故障検知時に予測される最高回転数が４８００ｒｐｍである場合を想定すると、脈動基本周波数ｆは、下式（５）により１６０Ｈｚとなる。なお、気筒数をＺとし、エンジン回転数をＮｅとする。
【００３７】
ｆ＝Ｚ×（Ｎｅ／６０）×（１／２） ・・・（５）
また、１６０Ｈｚの脈動基本周波数ｆに対してエンジン排気脈動周期の半分の長さの周期を与えるサンプリング周波数ｆｓは、１６０Ｈｚの２倍の３２０Ｈｚであるから、要求されるサンプリング周期Ｔｓは、その逆数である３．１ｍｓとなる。従って、Ｚ＝４、かつＮｅ＝４８００とした場合は、サンプリング周期を３．１ｍｓ以下に設定すればよい。
【００３８】
本実施形態によれば、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔのサンプリング周期をエンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定したので、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの脈動に関する情報を理論的に失うことなく（Ｓｈａｎｎｏｎ’ｓ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｅｍ）高周波ノイズの影響を回避し、故障の誤検知を防止することができる。
【００３９】
次に、第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、エンジン回転数Ｎｅに応じた大きさのフィルタ時定数ｘ３を設定し、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにこのフィルタ時定数ｘ３によるフィルタリングを施したものが排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔに換算されるように構成する。すなわち、図１８に示すフィルタを圧力換算部１０１に組み込み、下式（６）により電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにフィルタリングを施す。フィルタ時定数ｘ３は、図１９に示すテーブルから検索され、エンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きな値に設定される。
【００４０】
ｖＰｅｘｈｏｕｔ＝ｖＰｅｘｈｏｕｔ×ｘ３＋ｖＰｅｘｈｏｕｔ−１×（１−ｘ３） ・・・（６）
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔにフィルタリングを施すこととし、その際に用いるフィルタ時定数ｘ３をエンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きな値に設定することとした。これにより、エンジン１の高回転時には、排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔの変化に対する検出応答性を確保することができる一方、低回転時には、フィルタを強くかけて高周波ノイズの影響による故障の誤検出を防止することができる。なお、ここではフィルタリングの機能をソフトウェアにより実現する場合を例に説明したが、同様の機能をハードウェアにより実現することも可能である。
【００４１】
次に、第５の実施形態について説明する。
本実施形態では、ＥＣＵ６１の基盤上に図２０に示すバンドパスフィルタ３０１を設置し、圧力センサ５１から入力した電圧ｖＰｅｘｈｏｕｔから低周波及び高周波ノイズを除去したものを圧力換算部１０１に入力する。バンドパスフィルタ３０１は、多重帰還型バンドパスフィルタとして構成し、入力部３０２を圧力センサ５１に、出力部３０３をＥＣＵ６１のＡＤ変換ポートに接続する。フィルタのカットオフ周波数ｆ０は、図１７のサンプリング周波数、すなわち、エンジン排気脈動周期の半分以下の長さの周期を与える周波数に設定し、コンデンサ容量Ｃ及び各抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５は、下式（７）〜（９）により設定する。
【００４２】
ｆ０＝（１／２πＣ）×√｛（１／Ｒ５）×（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）｝ ・・・（７）
Ｑ＝（１／２）×√｛Ｒ５×（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）｝ ・・・（８）
Ａ＝Ｒ５／２Ｒ１ ・・・（９）
本実施形態に関して、圧力センサ５１、バンドパスフィルタ３０１、圧力換算部１０１及び脈動振幅演算部１０３が非定常変化量検出部を構成する。
【００４３】
本実施形態によれば、高周波ノイズに加えて、電源の電圧変動やグランドの浮きといった低周波ノイズを除去することもできるため、より的確に故障を検知することができる。
【００４４】
なお、第３〜５の実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタ３２の下流における排気ガス圧力Ｐｅｘｈｏｕｔを検出する圧力センサ５１を備えるものを例に説明した。しかしながら、フィルタ前後差圧ΔＰｄｐｆを検出する差圧センサ５５を備えるものにおいて、サンプリング周期をエンジン排気脈動周期の半分以下の長さに設定し、エンジン回転数に応じた大きさのフィルタ時定数によるフィルタリングを施し、あるいはバンドパスフィルタを設置しても、それぞれの構成に応じた上記の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの構成
【図２】同上実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成
【図３】同上故障検知装置としてのＥＣＵの構成
【図４】圧力センサからの出力と排気ガス圧力との関係
【図５】平均圧力演算部の構成
【図６】最大及び最小圧力演算部の構成
【図７】排気ガス流量と基準変化量の基本値との関係
【図８】エンジン回転数及び目標燃料噴射量と基準変化量の補正値との関係
【図９】故障判断部の構成
【図１０】正常時と故障時とにおけるディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタエレメントの状態
【図１１】ディーゼルパティキュレートフィルタの下流における圧力脈動の故障による変化
【図１２】ディーゼルパティキュレートフィルタの等価有効面積の故障による変化
【図１３】フィルタ前後差圧及びパティキュレート吹抜量の故障による変化
【図１４】ディーゼルパティキュレートフィルタの下流における圧力脈動とパティキュレート吹抜量との関係
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るパティキュレートフィルタの故障検知装置の構成
【図１６】同上故障検知装置としてのＥＣＵの構成
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る排気ガス状態量のサンプリング周期の設定
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る圧力換算部の構成
【図１９】フィルタ時定数の設定
【図２０】本発明の第５の実施形態に係るバンドパスフィルタの構成
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン、１１…吸気通路、１２…エアクリーナ、１３…エアフローメータ、１４…コレクタ、２１…インジェクタ、３１…排気通路、３１１…テールパイプ、３２…パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ、３２１…フィルタエレメント、４１…ＥＧＲ管、４２…ＥＧＲ弁、５１…圧力センサ、５５…差圧センサ、６１，６１１…電子制御ユニット、７１…故障警告灯、３０１…バンドパスフィルタ、Ａ…フィルタエレメントの割れ、Ｂ…フィルタエレメントの目封じの抜け。
Claims (9)
- 排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタの故障を検知する装置であって、
パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の大きさを非定常変化量として検出する非定常変化量検出手段と、
前記排気ガス状態量の非定常変化の大きさに関して、パティキュレートフィルタの正常及び故障の判断のしきい値となる基準変化量を設定する基準変化量設定手段と、
検出された非定常変化量が基準変化量により定められる規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断する故障検知手段と、を含んで構成されるパティキュレートフィルタの故障検知装置。 - 非定常変化量検出手段は、パティレートフィルタの下流における排気ガス圧力を検出する手段を含んで構成され、非定常変化量としてこの手段により検出された排気ガス圧力の非定常変化の大きさを検出し、
故障検知手段は、検出された非定常変化量が基準変化量を上回ったときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断する請求項１に記載のパティキュレートフィルタの故障検知装置。 - 非定常変化量検出手段は、パティキュレートフィルタ前後の差圧を検出する手段を含んで構成され、非定常変化量としてこの手段により検出された差圧の非定常変化の大きさを検出し、
故障検知手段は、検出された非定常変化量が基準変化量を下回ったときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断する請求項１に記載のパティキュレートフィルタの故障検知装置。 - エンジンの排気通路に介装され、そのエンジンから排出された排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
このパティキュレートフィルタの故障を検知する請求項１〜３のいずれかに記載の装置と、を含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置。 - 非定常変化量検出手段は、エンジン排気脈動周期の半分以下の長さの周期で排気ガス状態量を検出してその非定常変化量を検出する請求項４に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 非定常変化量検出手段は、エンジン回転数に応じた大きさのフィルタ時定数を設定し、新たに検出した排気ガス状態量をこのフィルタ時定数によりフィルタリングしたものを排気ガス状態量とする請求項４又は５に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 非定常変化量検出手段は、バンドパスフィルタを含んで構成され、所定の周波数成分を除去した後の排気ガス状態量からその非定常変化量を検出する請求項４〜６のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 故障検知手段がパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断したのを受けてエンジンの操作者に対応を促す手段を更に含んで構成される請求項４〜７のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
- 排気ガス中のパティキュレートを捕集させるパティキュレートフィルタの故障を検知する装置であって、
パティキュレートフィルタの下流における排気ガス状態量の非定常変化の度合いを検出し、これが正常を示す規定範囲を外れたときにパティキュレートフィルタに故障が生じたものと判断するパティキュレートフィルタの故障検知装置。
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