JP2011185213A - Ｄｐｆ故障検出方法及びｄｐｆ故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で実現でき、低コストに故障が検出できるＤＰＦ故障検出方法及びＤＰＦ故障検出装置を提供する。
【解決手段】内燃機関２の運転状態からＤＰＦ４への理論堆積量を演算し、静電容量型ＰＭセンサ６の静電容量によってＤＰＦ４への実堆積量を測定し、理論堆積量に対して実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、ＤＰＦ４が故障したと診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦの故障検出方法及びＤＰＦ故障検出装置に係り、簡素な構成で実現でき、低コストに故障が検出できるＤＰＦ故障検出方法及びＤＰＦ故障検出装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した車両では、内燃機関から大気まで排気ガスを導く排気管にディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下、ＤＰＦという）を設置し、排気ガスに含まれる煤、すなわち粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を捕集している。ＤＰＦは、主としてセラミックからなり、ハニカム細孔（又は四角い細孔）を多数有するフィルタである。ＤＰＦでは、排気ガスの通路となるハニカム細孔の表面にＰＭが付着することでＰＭが捕集される。

しかし、ＤＰＦに損傷、割れなどの故障が発生すると、ＰＭの捕集が不十分になり、ＤＰＦの下流にＰＭが流出し、ＰＭが大気に放出されるおそれがある。これを防止するには、ＤＰＦの故障を検出し、早急に対処できるようにすることが望まれる。これに鑑み、米国では、ＯＢＤ（On-board Diagnosis）法規により、ＤＰＦ故障検出モニタを車両に搭載することが義務化される運びとなった。

従来の技術では、ＤＰＦの前後の圧力差を測定する差圧センサを設置し、差圧センサの出力値が、ＤＰＦが正常な状態の出力範囲を大きく下回ったときに、ＤＰＦが故障であると判定するのが主流である。しかしながら、差圧センサを使用した方法では、検出精度に問題があり今後強化される規制に対応できなくなる可能性がある。そこで、対応策として排気ガス中のＰＭ量を検出するＰＭセンサとしては、特許文献１のものが知られている。

特開２００６−１５３７１６号公報

しかしながら、特許文献１のＰＭセンサは、内燃機関の研究開発に使用される固定設備であって、車載に応用するには問題があり、不向きであると考えられる。

例えば、車載であるＤＰＦ故障検出装置は小型であることが要求されるが、特許文献１のＰＭセンサは、２０００〜７０００Ｖという高電圧を使用するため、装置が非常に大掛かりとなり、重量も重く、コストも高くなる。

また、特許文献１のＰＭセンサは、高電圧を使用するため、電気的絶縁を行う安全対策が必要になり、それによってコストも高くなる。さらに、高電圧の使用によって輻射ノイズが発生することが懸念される。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡素な構成で実現でき、低コストに故障が検出できるＤＰＦ故障検出方法及びＤＰＦ故障検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のＤＰＦ故障検出方法は、内燃機関から大気まで排気ガスを導く排気管に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）の故障を検出する故障検出方法において、前記内燃機関の運転状態から前記ＤＰＦへの粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量（以下、理論堆積量）を演算し、前記ＤＰＦに配置された２つの電極からなる静電容量型ＰＭセンサの静電容量によって前記ＤＰＦへのＰＭの堆積量（以下、実堆積量）を測定し、理論堆積量に対して実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、前記ＤＰＦが故障したと診断するものである。

また、本発明のＤＰＦ故障検出装置は、内燃機関から大気まで排気ガスを導く排気管に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）の故障を検出するＤＰＦ故障検出装置において、前記内燃機関の運転状態から前記ＤＰＦへの粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量（以下、理論堆積量）を演算する理論堆積量演算部と、前記ＤＰＦに配置された２つの電極からなる静電容量型ＰＭセンサと、前記静電容量型ＰＭセンサの静電容量によって前記ＤＰＦへのＰＭの堆積量（以下、実堆積量）を測定する実堆積量測定部と、前記理論堆積量演算部が演算した理論堆積量に対して前記実堆積量測定部が測定した実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、前記ＤＰＦが故障したと診断する故障診断部とを備えたものである。

前記理論堆積量演算部は、前記内燃機関が発生するＰＭ発生量を演算するＰＭ発生量演算部と、前記ＤＰＦでの受動再生によるＰＭ再生量を演算するＰＭ再生量演算部と、ＰＭ発生量からＰＭ再生量を差し引いて理論堆積量の演算に用いる差引演算部とを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）簡素な構成で実現できる。

（２）低コストに故障が検出できる。

本発明の一実施形態を示すＤＰＦ故障検出装置の構成図である。 本発明のＤＰＦ故障検出装置の理論堆積量演算部における演算内容を示すブロック図である。 （ａ）は、エンジン回転数とトルクの二次元平面で表したエンジン状態のグラフであり、（ｂ）は、ＤＰＦ温度に対するＰＭ量の相関を示すグラフである。 本発明のＤＰＦ故障検出装置に用いる静電容量型ＰＭセンサの特性図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明のＤＰＦ故障検出装置に用いるＰＭセンサの概略構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明のＤＰＦ故障検出装置における演算した理論堆積量と測定した実堆積量の変化を示すグラフであり、（ｅ）は、故障診断部のブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＤＰＦ故障検出装置１は、内燃機関２から大気まで排気ガスを導く排気管３に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）４の故障を検出するＤＰＦ故障検出装置１において、内燃機関２の運転状態からＤＰＦ４への粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量（以下、理論堆積量）を演算する理論堆積量演算部５と、ＤＰＦ４に配置された２つの電極からなる静電容量型ＰＭセンサ６と、静電容量型ＰＭセンサ６の静電容量によってＤＰＦ４へのＰＭの堆積量（以下、実堆積量）を測定する実堆積量測定部７と、理論堆積量演算部５が演算した理論堆積量に対して実堆積量測定部７が測定した実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、ＤＰＦ４が故障したと診断する故障診断部８とを備える。

内燃機関２は、ディーゼルエンジンである。内燃機関２に空気を供給する吸気管９には、大気側から順に、吸入空気量を検出するＭＡＦセンサ１０、ターボチャージャのコンプレッサ１１、吸入空気冷却器１２が設けられる。排気管３には、内燃機関２側から順にターボチャージャのタービン１３、ＤＰＦ４が設けられる。内燃機関２の排気マニホールドと吸気マニホールドとの間には排気ガスを適宜なＥＧＲ率で吸気に循環させるＥＧＲ装置１４が設けられる。

ＤＰＦ４は、従来公知のもので、多数のハニカム細孔を有するセラミックから構成される。ただし、本発明では、ＤＰＦ４に静電容量型ＰＭセンサ６の電極が設けられる。

理論堆積量演算部５は、図２に示されるように、内燃機関２が発生するＰＭ発生量を演算するＰＭ発生量演算部２１と、ＤＰＦ４での受動再生によるＰＭ再生量を演算するＰＭ再生量演算部２２と、ＰＭ発生量からＰＭ再生量を差し引いて理論堆積量の演算に用いる差引演算部２３とを備える。

ＰＭ発生量演算部２１は、エンジン回転数と燃料量とＥＧＲ率に基づき、内燃機関２が発生する基本的なＰＭ量（基本分）を演算し、エンジン回転数と燃料量と空燃比に基づき内燃機関２が発生する過渡的なＰＭ量（過渡分）を演算し、基本分と過渡分の和として、ＰＭ発生量ＰＭｉを演算するようになっている。各演算には、実験により求めた近似式あるいは実験により求めたマップを用いるとよい。

ＰＭ再生量演算部２２は、空燃比と酸素量とＤＰＦ温度に基づき、ＤＰＦ４において熱によって再生されるＰＭ量（熱再生分）を演算し、ＮＯ₂発生量と排気ガス温度と排気ガス体積に基づき、ＮＯ₂との反応（ＮＯｘ還元、ＰＭ酸化）によって再生されるＰＭ量（ＮＯ₂再生分）を演算し、熱再生分とＮＯ₂再生分の和として、ＰＭ再生量ＰＭｒを演算するようになっている。各演算には、実験により求めた近似式あるいは実験により求めたマップを用いるとよい。

差引演算部２３は、ＰＭ発生量ＰＭｉとＰＭ再生量ＰＭｒの差分をとる差分部２４と、内燃機関２が運転されている間、差分を累積する累積部２５とからなり、ＰＭ発生量ＰＭｉとＰＭ再生量ＰＭｒの差分を累積することにより、ＤＰＦ４に堆積されているはずのＰＭ量、すなわち理論堆積量ＰＭｂを求める。演算式は、次の通りである。

なお、ＤＰＦ４を搭載した車両においては、内燃機関２において必要に応じて主噴射後に追加の燃料噴射を行う制御によって、排気温度を上昇させ、ＤＰＦ４に堆積したＰＭを燃焼させて除去する、いわゆるＤＰＦ強制再生を行う。前述の演算式は、ＤＰＦ強制再生時に理論堆積量ＰＭｂがクリアされ、新たに累積が開始される。

一方、受動再生は、格別な再生制御を行わないでＤＰＦ４のＰＭが除去されるものである。例えば、図３（ａ）に受動再生領域として示されるように、エンジン回転数が高く、かつトルクが大きいエンジン状態では、排気ガスの温度が顕著に高いため、ＤＰＦ４に堆積したＰＭが燃焼する。これが熱再生である。さらに、排気ガス温度が高いために、排気ガス中でＮＯ₂とＰＭの反応によってＰＭが酸化されＮＯ₂再生が起きる。

図３（ｂ）に示されるように、内燃機関２のＰＭ発生量が一定と仮定したとき、ＤＰＦ温度が高くなると、受動再生で除去されるＰＭ量が多くなり、これに伴いＤＰＦ４に堆積するＰＭ量は少なくなる。このような排気ガスの温度（ＤＰＦ温度）に起因して再生されるＰＭ量が前述の熱再生分とＮＯ₂再生分である。

次に、図１の静電容量型ＰＭセンサ６は、ＤＰＦ４に設けた２つの電極間の静電容量が捕集されたＰＭの堆積量に応じて変化するものである。すなわち、静電容量をＣ、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間距離をｄとすると、

の関係が成り立ち、電極間の媒体中にＰＭが増加して誘電率εが大きくなると、静電容量Ｃが大きくなるという原理に従う。

これにより、静電容量型ＰＭセンサ６は、図４に示されるように、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭの堆積量が増えるとそれに比例して静電容量が増える特性を有する。

図５（ａ）に示した静電容量型ＰＭセンサ６ａは、円柱状のＤＰＦ４の外周の片側半分に沿わせて円筒片状の１つの電極５１を設け、反対側半分に沿わせて円筒片状のもう１つの電極５２を設けたものである。これにより、２つの電極５１，５２がＤＰＦ４を両側から挟んで互いに対向し、ＤＰＦ４にＰＭが捕集されると、電極５１，５２間に存在するＰＭの影響で静電容量が変化する。

図５（ｂ）に示した静電容量型ＰＭセンサ６ｂは、円柱状のＤＰＦ４の外周全体を覆うように円筒状の１つの電極５３を設け、ＤＰＦ４の中心部に円筒状のもう１つの電極５４を設けたものである。これにより、２つの電極５３，５４がＤＰＦ４の内外に同心状に配置され、ＤＰＦ４にＰＭが捕集されると、電極５３，５４間に存在するＰＭの影響で静電容量が変化する。

図５（ｃ）に示した静電容量型ＰＭセンサ６ｃは、円柱状のＤＰＦ４の外周全体を覆うように円筒状の１つの電極５５を設け、ＤＰＦ４の中心部に線が円筒状に複数本配置されてなるもう１つの電極５６を設けたものである。

図５（ｄ）に示した静電容量型ＰＭセンサ６ｄは、円柱状のＤＰＦ４の上流と下流それぞれにメッシュ状の２つの電極５７，５８を設けたものである。

図１の説明に戻る。

実堆積量測定部７は、図４の特性に基づいて設定された測定マップを有し、静電容量型ＰＭセンサ６の静電容量を検出し、この静電容量で測定マップを参照してＰＭ堆積量を測定するようになっている。例えば、実堆積量測定部７は、適宜な静電容量の範囲内で静電容量を制御可能な可変コンデンサを用い、可変コンデンサの静電容量を前記範囲内で掃引しつつ、静電容量型ＰＭセンサ６と可変コンデンサの電気的平衡を検出し、平衡が取れた時点で、可変コンデンサの静電容量制御値を静電容量型ＰＭセンサ６の静電容量として読み取るようになっている。

故障診断部８は、理論堆積量演算部５が演算した理論堆積量と実堆積量測定部７が測定した実堆積量との乖離を求め、この乖離が許容限界を越えたときＤＰＦ４が故障したと診断するものである。具体的には、理論堆積量より実堆積量が小さい場合に、理論堆積量と実堆積量との差分を演算し、この差分が所定値以上のとき、あるいは、理論堆積量の増加速度と実堆積量の増加速度の差を演算し、この速度差が所定値以上のとき、ＤＰＦ４が故障したと診断することになる。

また、故障診断部８は、理論堆積量より実堆積量が大きい場合に、実堆積量と理論堆積量との差分を演算し、この差分が所定値以上のとき、あるいは、実堆積量の増加速度と理論堆積量の増加速度の差を演算し、この速度差が所定値以上のとき、ＰＭが大量に排出されるエンジン故障が発生したと診断することができる。

理論堆積量演算部５、実堆積量測定部７、故障診断部８は、プログラムで動作するデジタル回路で実現するのが好ましく、車両の燃料噴射、変速機等を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に組み込むのが好ましい。

以下、本発明のＤＰＦ故障検出装置１の動作を説明する。

図６（ａ）に示されるように、理論堆積量は時間の経過と共に増加する。ただし、ここでは簡単のため、エンジン状態が一定であるものとしており、理論堆積量は直線的に増加している。一方、ＤＰＦ４が健全であるとすると、実堆積量は理論堆積量と全く同じように増加する。なお、図では、区別のため理論堆積量をずらせて描いてあり、実際は実堆積量と理論堆積量が重なり合う。

図６（ｂ）に示されるように、ＤＰＦ４に故障が発生してＤＰＦ４の下流にＰＭが流出するようになると、実堆積量は増加が鈍る。図示例では、故障発生時点（円内）から実堆積量が全く増加していない。これにより差分（楕円内）が大きくなっていくので、差分が所定値以上になれば、故障診断部８は、ＤＰＦ４が故障したと診断する。あるいは増加速度差が所定値以上のとき、ＤＰＦ４が故障したと診断してもよい。

また、図６（ｃ）に示されるように、ＤＰＦ４にもともと故障が発生しているとき、理論堆積量が一定の増加速度で直線的に増加するのに対し、実堆積量は直線的に増加するものの、増加速度が小さい。この場合でも、差分が所定値以上あるいは増加速度差が所定値以上のとき、ＤＰＦ４が故障したと診断することができる。

図６（ｄ）に示されるように、内燃機関２において、ＰＭが大量に発生するような故障が発生した場合には、実堆積量が理論堆積量よりも大きく増加する。これにより差分（楕円内）が大きくなっていくので、差分が所定値以上になれば、故障診断部８は、内燃機関２にＰＭが大量に発生するような故障が発生したと診断できる。

故障診断部８では、図６（ｅ）に示されるように、理論堆積量より実堆積量が小さい場合に、理論堆積量と実堆積量との差分が所定値以上であれば、ＤＰＦ４が故障したと診断され、理論堆積量より実堆積量が大きい場合に、実堆積量と理論堆積量との差分が所定値以上になれば、内燃機関２が故障したと診断される。

故障診断部８においてＤＰＦ４が故障したと診断した結果は、視聴覚的手段によって運転者に通知され、早急な対処が可能となる。

以上説明したように、本発明のＤＰＦ故障検出方法（またはＤＰＦ故障検出装置１）によれば、内燃機関２の運転状態からＤＰＦ４への理論堆積量を演算し、静電容量型ＰＭセンサ６の静電容量によってＤＰＦ４への実堆積量を測定し、理論堆積量に対して実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、ＤＰＦ４が故障したと診断するようにしたので、特許文献１のものに比べて簡素な構成で、しかも低コストに故障検出が実現できる。すなわち、静電容量型ＰＭセンサ６には高電圧が必要なく、構成が非常に簡素となると共に、電気的絶縁を行う安全対策が不要であり、輻射ノイズ対策も不要であるから、低コストとなる。

１ ＤＰＦ故障検出装置
２ 内燃機関
３ 排気管
４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
５ 理論堆積量演算部
６ 静電容量型ＰＭセンサ
７ 実堆積量測定部
８ 故障診断部

Claims (3)

1. 内燃機関から大気まで排気ガスを導く排気管に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）の故障を検出する故障検出方法において、
   前記内燃機関の運転状態から前記ＤＰＦへの粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量（以下、理論堆積量）を演算し、
   前記ＤＰＦに配置された２つの電極からなる静電容量型ＰＭセンサの静電容量によって前記ＤＰＦへのＰＭの堆積量（以下、実堆積量）を測定し、
   理論堆積量に対して実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、前記ＤＰＦが故障したと診断することを特徴とするＤＰＦ故障検出方法。
2. 内燃機関から大気まで排気ガスを導く排気管に挿入されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）の故障を検出するＤＰＦ故障検出装置において、
   前記内燃機関の運転状態から前記ＤＰＦへの粒子状物質（以下、ＰＭ）の堆積量（以下、理論堆積量）を演算する理論堆積量演算部と、
   前記ＤＰＦに配置された２つの電極からなる静電容量型ＰＭセンサと、前記静電容量型ＰＭセンサの静電容量によって前記ＤＰＦへのＰＭの堆積量（以下、実堆積量）を測定する実堆積量測定部と、
   前記理論堆積量演算部が演算した理論堆積量に対して前記実堆積量測定部が測定した実堆積量の乖離が許容限界を超えたとき、前記ＤＰＦが故障したと診断する故障診断部とを備えたことを特徴とするＤＰＦ故障検出装置。
3. 前記理論堆積量演算部は、
   前記内燃機関が発生するＰＭ発生量を演算するＰＭ発生量演算部と、
   前記ＤＰＦでの受動再生によるＰＭ再生量を演算するＰＭ再生量演算部と、
   ＰＭ発生量からＰＭ再生量を差し引いて理論堆積量の演算に用いる差引演算部とを備えることを特徴とする請求項２記載のＤＰＦ故障検出装置。

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