JP2007332911A - Ｐｍトラッパの故障検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭトラッパの故障をより精度良く検出することを可能にする技術を提供する。
【解決手段】ＰＭトラッパ１７の直下流の排気通路９において、複数の温度センサ１０をその温度検出素子が排気通路９の仮想中心軸線に垂直な面上に位置するように設ける。各温度センサ１０の測定値から、ＰＭトラッパ１７に故障が生じた場合のＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布の変化を検出し、この径方向温度分布に基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出する。温度センサ１０の測定値はＰＭトラッパ１７におけるＰＭ堆積量の影響を受けにくいのでより精度良くＰＭトラッパ１７の故障を検出できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＰＭトラッパの故障検出システムに関する。

内燃機関の排気中の微粒子物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ、以下「ＰＭ」と略す）を捕集するＰＭトラッパを備えた排気浄化システムにおいて、ＰＭトラッパの故障を早期に検出することを目的とした技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、再生処理終了直後のＰＭトラッパの前後差圧と、新品時のＰＭトラッパの前後差圧の最低値と、の比較に基づいてＰＭトラッパの故障を検出する技術が開示されている。
特開平６−３２３１２７号公報 特開２００４−３５３６０６号公報 特開２００５−２０１１１９号公報 特開２００４−３０８４５４号公報 特開２００３−１５５９２０号公報

上記従来技術によるＰＭトラッパの故障検出は、ＰＭトラッパの故障に起因するＰＭトラッパの前後差圧の変化に基づくものである。しかし、ＰＭトラッパの故障の程度が小さい場合、ＰＭトラッパの故障によるＰＭトラッパにおける圧力損失の低下の度合いが小さいため、故障に起因するＰＭトラッパの前後差圧の変化が顕著に現れにくい。そのため、従来の故障検出方法では精度良くＰＭトラッパの故障を検出できない場合があった。

また、ＰＭトラッパの前後差圧は、ＰＭトラッパにおけるＰＭ堆積量の変化によっても変化し得る。そのため、ＰＭトラッパの前後差圧が変化した場合、それがＰＭトラッパの故障に因るものか或いはＰＭ堆積量の変化に因るものか判別しにくく、精度良くＰＭトラッパの故障を検出することが困難な場合があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ＰＭトラッパの故障をより精度良く検出することを可能にする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のＰＭトラッパの故障検出システムは、内燃機関の排気通路に設けられたＰＭトラッパと、前記ＰＭトラッパから流出する排気の前記排気通路の径方向温度分布を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記径方向温度分布に基づいて前記ＰＭトラッパの故障を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

ＰＭトラッパに割れ等の故障が生じた場合、故障箇所は穴が開いたような状態になっているため、ＰＭトラッパの基材と排気との接触面積が小さくなり、排気とＰＭトラッパとの間で熱交換が行われにくくなる。すなわち、排気がＰＭトラッパの故障箇所を通過する際にＰＭトラッパとの間で行う熱交換の効率は、非故障箇所を通過する場合と比較して低下する。

また、故障箇所は非故障箇所と比較して圧力損失が低いため、ＰＭトラッパに流入する
排気は、選択的に故障箇所に流れ込む。すなわち、故障箇所の排気の流速は非故障箇所の排気の流速より速くなる。また、故障箇所の排気の流量は非故障箇所の排気の流量より多くなる。従って、故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパとの間で行われる熱の授受は、非故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパとの間で行われる熱の授受より少ない。

このように、故障箇所と非故障箇所とでは、ＰＭトラッパを通過する排気とＰＭトラッパとの間の熱交換効率が相違するため、故障箇所を通過する排気の温度変化は非故障箇所を通過する排気の温度変化と比較して小さくなる傾向がある。

例えば、ＰＭトラッパに流入する排気の温度がＰＭトラッパの温度より高い場合（例えば冷間始動時等。以下このような場合を「排気高温時」という。）には、故障箇所を通過する高温の排気から低温のＰＭトラッパへ熱が移動しにくい。すなわち、故障箇所を通過する排気は冷却されにくい。さらにＰＭトラッパに流入する排気の大部分がこのような熱交換効率の低い故障箇所を通過するため、故障箇所から流出する排気の温度は非故障箇所から流出する排気の温度より高くなる。

一方、ＰＭトラッパに流入する排気の温度がＰＭトラッパの温度より低い場合（例えば再生処理中や再生処理終了直後等。以下このような場合を「ＰＭトラッパ高温時」という。）には、高温のＰＭトラッパから故障箇所を通過する低温の排気へ熱が移動しにくい。すなわち、故障箇所を通過する排気は加熱されにくい。さらにＰＭトラッパに流入する排気の大部分がこの熱交換効率の低い故障箇所を通過するため、故障箇所から流出する排気の温度は非故障箇所から流出する排気の温度より低くなる。

このように、ＰＭトラッパから流出する排気の温度分布はＰＭトラッパの故障の状態を反映したものとなる。従って、ＰＭトラッパから流出する排気の排気通路の径方向の温度分布に基づいてＰＭトラッパの故障を検出することができる。ここで、「排気通路の径方向の温度分布」とは、排気通路の仮想中心軸線に垂直な仮想面上における排気の温度分布である。但し、仮想中心軸線又は仮想面は幾何学的な線又は面を意味するものであり、実体としての軸状部材又は面状部材が排気通路内に設けられていることを意味するものではない。

ＰＭトラッパから流出する排気の温度分布は、ＰＭトラッパの前後差圧と比べてＰＭトラッパにおけるＰＭの堆積量の影響を受けにくいため、程度の小さい故障もより精度良く検出することができる。

ここで、ＰＭトラッパから流出した直後の排気は直線的に流れる。従って、ＰＭトラッパの直下流の排気通路の径方向に配置された複数の温度センサによって測定される排気温度に基づいて、ＰＭトラッパから流出する排気の径方向温度分布を推定することができる。

本発明では、このようにして推定された排気の径方向温度分布に基づいてＰＭトラッパの故障を検出するようにしても良い。

正常なＰＭトラッパにおいても、ＰＭトラッパの仮想中心軸線近傍を流れる排気の流速及び流量が最も多く、仮想中心軸線から離れるほど排気の流速及び流量は減少する傾向があり、且つ、単位面積当たりの放熱量が増大する傾向がある。

従って、排気がＰＭトラッパを通過する際の温度変化は、ＰＭトラッパの仮想中心軸線近傍では小さく、ＰＭトラッパの中心軸線から離れるほど大きくなる。

そのため、排気高温時には、ＰＭトラッパの出口側端面の中心部から流出する排気の温度が最高温度となり、該中心部から最も離れた箇所から流出する排気の温度が最低温度となる。

また、ＰＭトラッパ高温時には、ＰＭトラッパの出口側端面の中心部から流出する排気の温度が最低温度となり、該中心部から最も離れた箇所から流出する排気の温度が最高温度となる。

一方、故障が生じたＰＭトラッパにおいては、上述のように、故障箇所を流れる排気の流速・流量が非常に大きく、正常時のＰＭトラッパの仮想中心軸線近傍を流れる排気の流速・流量よりさらに大きくなる。そのため、故障箇所から離れた非故障箇所を流れる排気の流速・流量は正常時のＰＭトラッパの中心軸線から離れた箇所における排気の流速・流量よりさらに小さくなる。

従って、故障箇所を通過する排気の温度変化は、正常時の仮想中心軸線近傍を通過する排気の温度変化よりさらに小さくなる。また、故障箇所から離れた非故障箇所を通過する排気の温度変化は、正常時の中心軸線近傍から離れた箇所を通過する排気の温度変化よりさらに大きくなる。

そのため、故障が生じたＰＭトラッパから流出する排気の温度分布における最高温度と最低温度との温度差は、正常時のＰＭトラッパから流出する排気の温度分布における最高温度と最低温度との温度差よりも大きくなる。

従って、複数個設置された温度センサの中に、故障箇所近傍の直下流における排気温度を測定する温度センサと、故障箇所から十分に離れた箇所の直下流における排気温度を測定する温度センサとが存在すれば、複数の温度センサの測定値の最大値と最小値との差は、正常なＰＭトラッパから流出する排気の径方向温度分布における最高温度と最低温度との差よりも大きくなる。

そこで、本発明においては、正常なＰＭトラッパから流出する排気の径方向温度分布における最高温度と最低温度との差を予め実験などにより求めておき、これを基準温度差として、各温度センサによって測定される排気の温度の最大値と最小値との差がこの基準温度差を超える場合にＰＭトラッパが故障していると判定するようにしてもよい。

また、上述のように、排気高温時においては、ＰＭトラッパ直下流の排気の径方向温度分布において最も高い温度となるのは、ＰＭトラッパが正常であればＰＭトラッパの出口側端面の中心部から流出する排気の温度（以下「中心部温度」ともいう）であるが、ＰＭトラッパに故障が生じた場合、故障箇所から流出する排気の温度となる。

従って、ＰＭトラッパの出口側端面の中心部以外の箇所から流出する排気の温度（以下「周辺部温度」とも言う）の中に、中心部温度を超えるものが存在する場合に、ＰＭトラッパが故障していると判定することもできる。

詳細には、排気通路の仮想中心軸線上の位置の排気温度を測定する中心部温度センサと、排気通路の仮想中心軸線から離れた位置の排気温度を測定する１又は複数の周辺部温度センサと、を設け、周辺部温度センサの測定値のうちに中心部温度センサの測定値を超えるものが存在する場合に、ＰＭトラッパが故障していると判定するようにしても良い。

また、ＰＭトラッパ高温時においては、逆に、周辺部温度センサの測定値のうちに中心部温度センサの測定値を下回るものが存在する場合に、ＰＭトラッパが故障していると判
定することができる。

この故障判定方法によって、ＰＭトラッパの仮想中心軸線から離れた位置に生じた故障を検出することができる。

本発明においては、複数の温度センサの配置として、正常時のＰＭトラッパから流出する排気の径方向温度分布における所定温度の等温線上の異なる位置の排気温度を測定する複数の等温線上温度センサを設けても良い。所定の温度は予め定められた温度である。

ＰＭトラッパが正常であれば、各等温線上温度センサの測定値は略等しくなるはずである。しかし、ＰＭトラッパに故障が生じた場合、ＰＭトラッパから流出する排気の温度分布の変化に伴い、ＰＭトラッパ直下流の径方向温度分布における等温線も変化する。すなわち、等温線上温度センサは、ＰＭトラッパに故障が生じた場合の径方向温度分布における等温線上には位置しなくなる。従って、各等温線上温度センサの測定値のうちには異なる温度を示すものが現れることになる。

そこで、各等温線上温度センサの測定値の中に異なるものが存在する場合に、ＰＭトラッパは故障していると判定することができる。詳細には、各等温線上温度センサの測定値のうち所定の基準値以上異なるものがある場合に、ＰＭトラッパが故障していると判定することができる。

上記の構成では、ＰＭトラッパから流出する排気の径方向温度分布をＰＭトラッパ直下流の排気の温度を測定する複数の温度センサの測定値に基づいて推定しているが、ＰＭトラッパ直下流の複数の位置における排気の温度のうち、一部をＰＭトラッパに流入する排気の温度に基づいて推定するようにしても良い。こうすることで温度センサの設置個数を減らすことができるので、ＰＭトラッパの故障検出システムの簡略化やコスト削減が可能になる。

ＰＭトラッパ直下流の排気温度を推定する温度推定手段は、正常なＰＭトラッパにおけるＰＭトラッパに流入する排気の温度とＰＭトラッパから流出する排気の温度との関係に基づいて推定を行う。この関係は予め実験などにより求めておく。

温度推定手段を含む構成におけるＰＭトラッパの故障判定方法としては、例えば、中央部温度を温度推定手段によって推定し、周辺部温度を温度センサによって測定する構成の場合、複数の周辺部温度測定値のうちに中央部温度推定値を超えるものが存在することを条件に、ＰＭトラッパが故障していると判定することができる（排気高温時）。

また、中央部温度を温度センサによって測定し、周辺部温度を温度推定手段によって推定する構成の場合、中央部温度測定値が周辺部温度推定値を下回っていることを条件に、ＰＭトラッパが故障していると判定することができる（排気高温時）。

また、正常なＰＭトラッパの直下流における排気の径方向温度分布の、ある特定温度の等温線上の複数の排気温度（以下「等温線上温度」ともいう）のうち、一部を温度推定手段によって推定し、他を温度センサによって測定する構成の場合、等温線上温度測定値のうちに等温線上温度推定値と異なるものが存在することを条件に、ＰＭトラッパが故障していると判定することができる。

上述のように、ＰＭトラッパに故障が生じた場合、故障箇所を通過する排気の流速・流量は非故障箇所を通過する排気の流速・流量より大きくなる傾向がある。すなわち、ＰＭトラッパの直下流における排気の径方向流速分布はＰＭトラッパの故障状態を反映してい
る。

そこで、本発明では、ＰＭトラッパ直下流における排気の径方向の流速分布に基づいてＰＭトラッパの故障を検出するようにしても良い。

本発明においては、ＰＭトラッパに流入する排気の温度とＰＭトラッパの温度との温度差が所定温度差を超えている場合に、ＰＭトラッパの故障検出を行うようにしても良い。ここで所定温度差は予め定められる値である。

これは、ＰＭトラッパに流入する排気の温度とＰＭトラッパの温度との温度差が大きいほど、故障箇所を通過した排気の温度と非故障箇所を通過した排気の温度との差異が顕著に現れるからである。従って、より確実にＰＭトラッパの故障を検出することが可能になる。

ＰＭトラッパに流入する排気の温度とＰＭトラッパの温度との温度差が大きくなる場合としては、例えば冷間始動時やＰＭトラッパの再生処理の実行時等を例示することができる。

以上説明した本発明に係るＰＭトラッパの故障検出システムは、ウォールフロー型のＰＭトラッパに好適に適用することができる。

これは、ウォールフロー型のＰＭトラッパにおいては、ＰＭトラッパを通過する排気とＰＭトラッパを構成する基材との接触面積が大きいため、故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパとの間の熱の授受と、非故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパとの間の熱の授受との差異がより顕著に現れるからである。

本発明により、ＰＭトラッパの故障をより精度良く検出することが可能になる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は本発明のＰＭトラッパの故障検出システムが適用される内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクルディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気マニホールド２が接続されており、吸気マニホールド２の各枝管は吸気ポートを介して各気筒の燃焼室と連通している。吸気マニホールド２には吸気通路８が接続されている。吸気通路８の途中には吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ４が設けられている。インタークーラ４より上流には、排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング６が設けられている。コンプレッサハウジング６より上流には、エアクリーナ１５が設けられている。

内燃機関１には、排気マニホールド３が接続されており、排気マニホールド３の各枝管
は排気ポートを介して各気筒の燃焼室と連通している。排気マニホールド３にはターボチャージャ５のタービンハウジング７が接続されている。タービンハウジング７には排気通路９が接続されている。排気通路９にはウォールフロー型のＰＭトラッパ１７が設けられている。ＰＭトラッパ１７には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されている。ＰＭトラッパ１７は排気中の粒子状物質を捕集する。ＰＭトラッパ１７より下流において排気通路９は大気に開放されている。

排気マニホールド３と吸気マニホールド２とはＥＧＲ通路１４を介して連通している。ＥＧＲ通路１４を経由して排気の一部が内燃機関１の燃焼室に再循環する。これにより燃焼室における燃焼温度が低下して燃焼過程における窒素酸化物の発生量が減少する。

ＰＭトラッパ１７の直下流の排気通路９には、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度を測定する複数の温度センサ１０が設けられている。温度センサ１０の測定値からＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布を推定することが可能になっている。温度センサ１０の詳細な設置態様については後述する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、内燃機関１を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ１６が併設されている。ＥＣＵ１６は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。ＥＣＵ１６には、温度センサ１０が電気配線を介して接続され、その出力信号がＥＣＵ１６に入力されるようになっている。

ＰＭトラッパ１７に所定量のＰＭが捕集された段階で、ＰＭトラッパ１７の再生処理が行われる。所定量とは、内燃機関１の機関出力に影響を与える虞がないＰＭ堆積量の上限値である。

再生処理では、内燃機関１において、トルクを発生させるための主噴射とは別に副噴射が行われる。これにより内燃機関１からの排気の温度が上昇するため、高温の排気によってＰＭトラッパ１７が昇温され、ＰＭトラッパ１７に堆積したＰＭの酸化反応が促進される。また、排気浄化装置１７より上流の排気中に燃料添加を行っても良い。この場合、排気中に添加された燃料はＰＭトラッパ１７の基材に担持された酸化触媒において還元剤として反応する。その際に発生する反応熱によってＰＭトラッパ１７が昇温され、ＰＭトラッパ１７に堆積したＰＭの酸化反応が促進される。

ところで、ＰＭトラッパ１７が過捕集状態の時に再生処理が行われると、ＰＭの酸化反応が急激に進行して非常に大きな反応熱が発生し、ＰＭトラッパ１７の基材が溶損する等の故障が生じる場合がある。

このような故障が生じた箇所は穴が開いたような状態となり、ＰＭ捕集能力が低下するため、可及的早期にこのような故障を検出する必要がある。本実施例のＰＭトラッパの故障検出システムは、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の排気通路径方向の温度分布に基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出することを特徴としている。以下、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布と、ＰＭトラッパ１７の故障状態との関係について説明する。

ＰＭトラッパ１７を通過する排気はＰＭトラッパ１７の基材との間で熱交換を行うため、温度が変化する。例えば、冷間始動時等のようにＰＭトラッパ１７に流入する排気の温度がＰＭトラッパ１７の温度より高い場合（以下「排気高温時」という）には、排気はＰＭトラッパ１７を通過する際に冷却されるため、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度はＰＭトラッパ１７に流入する際の排気の温度と比べて低下する。また、再生処理中や再生処理実行直後のようにＰＭトラッパ１７の温度が排気の温度より高い場合（以下「Ｐ
Ｍトラッパ高温時」という）には、排気はＰＭトラッパ１７を通過する際に加熱されるため、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度はＰＭトラッパ１７に流入する際の排気の温度と比べて高くなる。

ところで、ＰＭトラッパ１７と排気との熱交換の効率はＰＭトラッパ１７を通過する排気の流速や流量に依存する。ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍ほど排気の流速及び流量は大きくなる傾向があるため、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍を通過する排気とＰＭトラッパ１７との間では熱の授受が行われにくい。従って、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍ほどＰＭトラッパ１７を通過する際の排気の温度変化の度合いが小さくなる。

このように、排気が通過するＰＭトラッパ１７の箇所によって排気とＰＭトラッパ１７との間で行われる熱交換の効率が異なるため、ＰＭトラッパ１７を通過する排気の温度変化の度合いは、排気が通過するＰＭトラッパ１７の箇所によって異なる。すなわち、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度は均一ではない。

例えば、排気高温時には、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布は、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍ほど温度が高くなる傾向を示す。一方、ＰＭトラッパ高温時には、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍ほど温度が低くなる温度分布となる。

図２は、ＰＭトラッパ１７の直下流の排気通路９の仮想中心軸線に垂直な面（図１のＸ−Ｘ’で示される面）上の排気の温度分布を示す図である。図２の破線Ａ１，Ａ２，Ａ３はそれぞれ排気の温度がＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３の等温線である。例えば排気高温時にはＰＭトラッパ１７の中心軸線近傍ほど排気の温度は高くなるので、ＴＡ１＞ＴＡ２＞ＴＡ３という関係になる。

一方、ＰＭトラッパ１７に割れ等の故障が生じた場合には、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度分布は上記説明とは異なる傾向を示す。

ＰＭトラッパ１７に故障が生じた場合、故障箇所は穴が開いたような状態となる。そのため、ＰＭトラッパ１７の基材と排気との接触面積が減少し、ＰＭトラッパ１７と排気との熱交換の効率が低下する。

さらに、故障箇所は非故障箇所と比較して圧力損失が低下するため、ＰＭトラッパ１７に流入する排気は選択的に故障箇所に流れ込む。そのため、ＰＭトラッパ１７を通過する排気のうち故障箇所を通過する排気の量は非故障箇所を通過する排気の量と比較して多くなる。従って、故障箇所を流れる排気の流速は非故障箇所を流れる排気の流速より速くなる。そのため、故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパ１７との熱交換の効率は、非故障箇所を通過する排気とＰＭトラッパ１７との熱交換の効率と比較して小さくなる。

その結果、故障箇所を通過する排気の温度変化は、非故障箇所を通過する排気の温度変化より小さくなる。この温度変化は、正常なＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍を通過する排気の温度変化よりも更に小さくなる。逆に、非故障箇所を通過する排気の温度変化は、正常なＰＭトラッパ１７の中心軸線から離れた位置を通過する排気の温度変化より更に大きくなる傾向を有する。

例えば、排気高温時には、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布は、故障箇所近傍ほど温度が高く、故障箇所から離れた非故障箇所では温度が低くなる傾向を示す。一方、ＰＭトラッパ高温時には、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布は、故障箇所近傍ほど温度が低く、故障箇所から離れた非故障箇所では温度が高くなる
傾向を示す。また、いずれの場合においても、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布における最高温度と最低温度との温度差は、ＰＭトラッパ１７が正常な場合の排気の径方向温度分布における最高温度と最低温度との温度差より大きくなる。

図３は、ＰＭトラッパ１７に故障が生じた場合の、ＰＭトラッパ１７の直下流を流れる排気の排気通路径方向の温度分布を示す図である。図３の破線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれ排気の温度がＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３の等温線である。斜線で示した領域１２は故障箇所を表す。例えば排気高温時には故障箇所１２の近傍ほど排気の温度が高くなるので、ＴＢ１＞ＴＢ２＞ＴＢ３という関係が成り立つ。図３に示されるように、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線から離れた位置に故障が生じた場合、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布は、ＰＭトラッパ１７が正常な場合の径方向温度分布から大きく変化する。

図４は、ＰＭトラッパ１７の中心軸線近傍の箇所に故障が生じた場合の、ＰＭトラッパ１７の直下流を流れる排気の排気通路径方向の温度分布を示す図である。図４の破線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はそれぞれ排気の温度がＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３，ＴＣ４の等温線である。斜線で示した領域１３は故障箇所を表す。例えば排気高温時には故障箇所１３から流出する排気の温度が最も高温になり、故障箇所１３から離れるほど排気の温度は低くなる。図４に示されるように、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍の箇所に故障が生じた場合、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度分布はＰＭトラッパ１７が正常な場合と似た傾向を示すが、等温線の密度はＰＭトラッパ１７が正常な場合と比較して密になっている。すなわち、径方向温度分布における温度変化の傾きがＰＭトラッパ１７が正常な場合と比較して大きくなる。そのため、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布における最高温度と最低温度との温度差は、ＰＭトラッパ１７が正常な場合より大きくなる。

以上説明したように、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度分布はＰＭトラッパ１７の故障状態を反映したものとなる。従って、ＰＭトラッパ１７直下流における排気の径方向温度分布に基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出することができる。

本実施例では、ＰＭトラッパ１７の故障に起因するＰＭトラッパ１７から流出する排気の径方向温度分布の変化を、ＰＭトラッパ１７直下流の排気通路９に設けられた温度センサ１０の測定値に基づいて推定する。図５に温度センサ１０の詳細な設置態様を示す。図５は、排気通路９の仮想中心軸線に垂直な断面（図１のＸ−Ｘ’断面）によるＰＭトラッパ１７直下流の排気通路９の断面図である。

本実施例では温度センサ１０は５個設けられている（温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）。各温度センサの温度検出素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅはＸ−Ｘ’断面上に位置するように配置されている。

温度センサ１０ａの温度検出素子１１ａは排気通路９の仮想中心軸線上に位置しており、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍から流出する排気の温度を測定する（以下、温度センサ１０ａを「中心部温度センサ」という）。温度検出素子１１ａ以外の４個の温度検出素子１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは全て等温線Ａ３上に位置しており、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線から離れた位置から流出する排気の温度を測定する（以下、温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅを「周辺部温度センサ」という）。

５個の温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅは、それぞれ電気配線を介してＥＣＵ１６に接続されており、各温度センサの温度検出素子による測定信号がＥＣＵ１６に入力されるようになっている。

図６は、ＰＭトラッパ１７が正常な時の温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅによる測定値の時間推移を示すグラフである。図６の横軸は時間、縦軸は温度を表す。グラフの実線は中心部温度センサ１０ａの測定値Ｔａ、点線は周辺部温度センサ１０ｂの測定値Ｔｂ、１点鎖線は周辺部温度センサ１０ｃの測定値Ｔｃ、２点鎖線は周辺部温度センサ１０ｄの測定値Ｔｄ、破線は周辺部温度センサ１０ｅの測定値Ｔｅの時間推移をそれぞれ表している。

図６に示すように、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅは、その温度検出素子１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが等温線Ａ３上に位置しているので、測定値Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは略等しい温度となる（図を見やすくするため、図６では周辺部温度センサの測定値のグラフが重ならないようにずらして描かれている）。また、中心部温度センサ１０ａの測定値Ｔａは最も高くなっている。

一方、ＰＭトラッパ１７に図３に示すような故障が生じた場合、ＰＭトラッパ１７直下流の排気の径方向温度分布における等温線と各温度センサとの位置関係は図７のようになる。図７に示すように、ＰＭトラッパ１７に故障１２が生じた場合は、ほぼ等温線Ｂ１上に位置する温度検出素子１１ｃが５個の温度検出素子のうちで最も故障箇所１２に近接しているため、周辺部温度センサ１０ｃの測定値Ｔｃが５個の温度センサの測定値のうちで最高温度となる。以下、温度検出素子１１ａが等温線Ｂ２の近傍に位置する中央部温度センサ１０ａの測定値Ｔａ、温度検出素子１１ｂ、１１ｄが等温線Ｂ３の近傍に位置する周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｄの測定値Ｔｂ，Ｔｄ、温度検出素子１１ｅが等温線Ｂ３より更に故障箇所１２から離れた位置に位置する周辺部温度センサ１０ｅの測定値Ｔｅの順に測定値は低くなる。

図８は、ＰＭトラッパ１７に図３に示すような故障が生じた時の温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅによる測定値の時間推移を示すグラフである。図８の横軸は時間、縦軸は温度を表す。グラフの実線は中央部温度センサ１０ａの測定値Ｔａ、点線は周辺部温度センサ１０ｂの測定値Ｔｂ、１点鎖線は周辺部温度センサ１０ｃの測定値Ｔｃ、２点鎖線は周辺部温度センサ１０ｄの測定値Ｔｄ、破線は周辺部温度センサ１０ｅの測定値Ｔｅの時間推移をそれぞれ表している。

図８に示すように、ＰＭトラッパ１７が正常な時には略等しい温度となっていたＴｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは、それぞれ異なる温度となっている。

従って、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの測定値Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅのうちに異なる温度となっているものがあることを条件にＰＭトラッパ１７に故障が生じたと判定することができる。

また、ＰＭトラッパ１７に故障１２が生じた時の最高温度Ｔｃと最低温度Ｔｅとの温度差ΔＴ１は、ＰＭトラッパ１７が正常な時の最高温度Ｔａと最低温度Ｔｂ≒Ｔｃ≒Ｔｄ≒Ｔｅとの温度差ΔＴと比較して大きくなっている。

従って、ＰＭトラッパ１７が正常な場合の最高温度と制定温度との温度差ΔＴを基準値として、５個の温度センサ１０の測定値Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅのうちの最高温度と最低温度との温度差が基準値を超えることを条件にＰＭトラッパ１７に故障が生じたと判定するようにしてもよい。

また、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの測定値Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅのうちに、中心部温度センサ１０ａの測定値Ｔａよりも高温のものがあることを条件
にＰＭトラッパ１７が故障していると判定するようにしてもよい。これは、ＰＭトラッパ１７が正常であれば、中心部の温度が最高温度になるはずだからである。

一方、ＰＭトラッパ１７に図４に示すような故障が生じた場合、ＰＭトラッパ１７直下流の排気の径方向温度分布における等温線と各温度センサとの位置関係は図９のようになる。図９に示すように、ＰＭトラッパ１７に故障１３が生じた場合は、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの温度検出素子１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは、故障後も等温線Ｃ４上に位置することになるので、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの測定値Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは略等しい温度となる。

図１０は、ＰＭトラッパ１７に図４に示すような故障が生じた時の温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅによる測定値の時間推移を示すグラフである。図１０の横軸は時間、縦軸は温度を表す。グラフの実線は中央部温度センサ１０ａの測定値Ｔａ、点線は周辺部温度センサ１０ｂの測定値Ｔｂ、１点鎖線は周辺部温度センサ１０ｃの測定値Ｔｃ、２点鎖線は周辺部温度センサ１０ｄの測定値Ｔｄ、破線は周辺部温度センサ１０ｅの測定値Ｔｅの時間推移をそれぞれ表している。

図１０に示すように、周辺部温度センサ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの測定値Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは、ＰＭトラッパ１７が正常な場合と同様に略等しい温度となっている。従って、ＰＭトラッパ１７の仮想中心軸線近傍に故障が生じた場合のように、周辺部温度センサの測定値の中に異なる温度となるものがあるか否かでＰＭトラッパの故障を検出することはできない。

しかし、この場合故障箇所１３を中心とする径方向温度分布における温度変化の傾きはＰＭトラッパ１７が正常な場合と比較して大きくなるため、中心部温度Ｔａと周辺部温度Ｔｂ≒Ｔｃ≒Ｔｄ≒Ｔｅとの温度差ΔＴ２は、ＰＭトラッパ１７が正常な場合の中心部の温度と周辺部の温度との温度差ΔＴより大きくなる。従って、５つの温度センサ１０の測定値Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅのうちの最高温度と最低温度との温度差が上記の基準値ΔＴを超えているか否かに基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出することができる。

以下、ＥＣＵ１６によって行われるＰＭトラッパ１７の故障検出について、図１１のフローチャートに基づいて説明する。図１１のフローチャートはＰＭトラッパ１７の故障検出を行うためのルーチンを示すフローチャートであり、このルーチンはＥＣＵ１６によって所定期間毎に繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ１６は、５個の温度センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの測定値Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅを取得する。

次に、ステップＳ２において、ＥＣＵ１６は、測定値Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ、Ｔｅのうちの最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎを求める。

次いで、ステップＳ３において、ＥＣＵ１６は、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が基準値ΔＴを超えているか否かを判定する。

ステップＳ３において肯定判定された場合、ＥＣＵ１６は、ＰＭトラッパ１７は故障していると判定し（ステップＳ７）、本ルーチンの実行を終了する。一方、ステップＳ３において否定判定された場合、ＥＣＵ１６は、次のステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ＥＣＵ１６は、周辺部温度Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅの中に中心部温度Ｔａより高温のものがあるか否かを判定する。

ステップＳ４において肯定判定された場合、ＥＣＵ１６は、ＰＭトラッパ１７は故障していると判定し（ステップＳ７）、本ルーチンの実行を終了する。一方、ステップＳ４において否定判定された場合、ＥＣＵ１６は、次のステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、ＥＣＵ１６は、周辺部温度Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅの中に異なる温度のものがあるか否かを判定する。ここでは、周辺部温度ＴｉとＴｊ（ｉ，ｊ∈｛ｂ，ｃ，ｄ，ｅ｝）の温度差が所定値δを超える場合に、ＴｉとＴｊは異なると判定するようにしている。所定値δは予め定められる。

ステップＳ５において肯定判定された場合、ＥＣＵ１６は、ＰＭトラッパ１７は故障していると判定し（ステップＳ７）、本ルーチンの実行を終了する。一方、ステップＳ５において否定判定された場合、ＥＣＵ１６は、ＰＭトラッパ１７は正常であると判定し（ステップＳ６）、本ルーチンの実行を一旦終了する。

以上説明した故障検出ルーチンを実行することにより、ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度分布に基づいてＰＭトラッパ１７の故障検出を行うことができる。ＰＭトラッパ１７から流出する排気の温度は、ＰＭトラッパ１７の前後差圧と比較してＰＭトラッパ１７におけるＰＭ堆積量の影響を受けにくいため、より精度良くＰＭトラッパ１７の故障を検出することが可能になる。

なお、以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。例えば、温度センサ１０の個数は複数であれば何個でも良い。個数が多ければより精確にＰＭトラッパ１７直下流の排気温度の径方向温度分布を推定できる。また、ＰＭトラッパ１７直下流の複数箇所における排気温度のうちいくつかをＰＭトラッパ１７に流入する排気の温度に基づいて推定するようにしても良い。このような構成とすることによって温度センサ１０の設置個数を低減することができる。また、上記実施例ではＰＭトラッパ１７直下流の排気温度の径方向温度分布の変化に基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出しているが、この排気温度の径方向温度分布の変化はＰＭトラッパ１７の故障に伴うＰＭトラッパ１７直下流における排気の流速・流量の変化に起因するものである。従ってＰＭトラッパ１７直下流における排気の流速・流量の変化を検出し、この検出結果に基づいてＰＭトラッパ１７の故障を検出するようにしてもよい。

本発明の実施例における内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパが正常な場合のＰＭトラッパ直下流における排気の径方向温度分布を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合のＰＭトラッパ直下流における排気の径方向温度分布を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合のＰＭトラッパ直下流における排気の径方向温度分布を示す図である。 本発明の実施例における温度センサの設置態様を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパが正常な場合の各温度センサの測定値の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合のＰＭトラッパ直下流における排気の径方向温度分布と温度センサの位置との関係を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合の各温度センサの測定値の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合のＰＭトラッパ直下流における排気の径方向温度分布と温度センサの位置との関係を示す図である。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパに故障が生じた場合の各温度センサの測定値の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例におけるＰＭトラッパの故障判定ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ インタークーラ
５ ターボチャージャ
６ コンプレッサハウジング
７ タービンハウジング
８ 吸気通路
９ 排気通路
１０ 温度センサ
１０ａ 中心部温度センサ
１０ｂ 周辺部温度センサ
１０ｃ 周辺部温度センサ
１０ｄ 周辺部温度センサ
１０ｅ 周辺部温度センサ
１１ａ 中心部温度検出素子
１１ｂ 周辺部温度検出素子
１１ｃ 周辺部温度検出素子
１１ｄ 周辺分温度検出素子
１１ｅ 周辺部温度検出素子
１２ 故障箇所
１３ 故障箇所
１４ ＥＧＲ通路
１５ エアクリーナ
１６ ＥＣＵ
１７ ＰＭトラッパ

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたＰＭトラッパと、
   前記ＰＭトラッパから流出する排気の前記排気通路の径方向温度分布を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された前記径方向温度分布に基づいて前記ＰＭトラッパの故障を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
2. 請求項１において、
   前記ＰＭトラッパの直下流の排気通路の径方向に配置された複数の温度センサを更に備え、
   前記検出手段は、前記複数の温度センサによって測定される排気温度に基づいて前記径方向温度分布を推定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
3. 請求項２において、
   前記判定手段は、前記各温度センサの測定値の最高温度と最低温度との温度差が所定の基準温度差を超えていることを条件に前記ＰＭトラッパが故障していると判定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
4. 請求項２において、
   前記複数の温度センサは、
   前記排気通路の仮想中心軸線上の位置の排気温度を測定する中心部温度センサと、
   前記排気通路の仮想中心軸線から離れた位置の排気温度を測定する１又は複数の周辺部温度センサと、を含み、
   前記判定手段は、前記ＰＭトラッパに流入する排気の温度が前記ＰＭトラッパの温度より高い場合に、前記周辺部温度センサの測定値のうちに前記中心部温度センサの測定値を超えるものが存在することを条件に前記ＰＭトラッパが故障していると判定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
5. 請求項２において、
   前記複数の温度センサは、
   前記排気通路の仮想中心軸線上の位置の排気温度を測定する中心部温度センサと、
   前記排気通路の仮想中心軸線から離れた位置の排気温度を測定する１又は複数の周辺部温度センサと、を含み、
   前記判定手段は、前記ＰＭトラッパに流入する排気の温度が前記ＰＭトラッパの温度より低い場合に、前記周辺部温度センサの測定値のうちに前記中心部の温度センサの測定値を下回るものが存在することを条件に前記ＰＭトラッパが故障していると判定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
6. 請求項２において、
   前記複数の温度センサは、前記ＰＭトラッパが正常な時の前記径方向温度分布における所定温度の等温線上の異なる位置の排気温度を測定する複数の等温線上温度センサを含み、
   前記判定手段は、前記各等温線上温度センサの測定値のうちに所定の基準値以上異なるものが存在することを条件に前記ＰＭトラッパが故障していると判定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
7. 請求項１において、
   前記ＰＭトラッパの直下流の排気通路の径方向に配置された１又は複数の温度センサと
   、
   前記ＰＭトラッパに流入する排気の温度に基づいて前記ＰＭトラッパの直下流の排気通路の径方向の位置における排気温度を推定する１又は複数の温度推定手段と、
   を更に備え、
   前記検出手段は、前記温度センサによって測定される排気温度及び前記温度推定手段によって推定される排気温度に基づいて前記径方向温度分布を推定することを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
8. 内燃機関の排気通路に設けられたＰＭトラッパと、
   前記ＰＭトラッパから流出する排気の前記排気通路の径方向流速分布を検出する流速分布検出手段と、
   前記流速分布検出手段によって検出された前記径方向流速分布に基づいて前記ＰＭトラッパの故障を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
9. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   前記判定手段は、前記ＰＭトラッパに流入する排気の温度と前記ＰＭトラッパの温度との温度差が所定温度差を超えている場合に、前記ＰＭトラッパの故障検出を行うことを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    前記ＰＭトラッパはウォールフロー型であることを特徴とするＰＭトラッパの故障検出システム。

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