JP2011241724A

JP2011241724A - 排気浄化装置の故障検出装置

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Publication number: JP2011241724A
Application number: JP2010113439A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nishijima; 大貴西嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-17
Also published as: WO2011144977A1; EP2459855B1; CN102549246A; CN102549246B; EP2459855A1; EP2459855B8; US20120180458A1; JP5056898B2; US8745968B2

Abstract

【課題】排気浄化装置の故障検出装置における検出精度を向上させること。
【解決手段】内燃機関２００の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集可能な排気浄化装置２０の故障検出装置１００であって、排気浄化装置２０の後段に設けられ、粒子状物質を検出するセンサ３０と、センサ３０の出力に基づき、排気浄化装置２０に捕集された粒子状物質の除去を行う除去手段４０と、除去手段４０による粒子状物質の除去が完了してから、センサ３０の出力が安定するまでの第１安定時間ｔに基づき、排気浄化装置２０の故障判定を行う判定手段４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置の故障検出装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate matter）を捕集する排気浄化装置（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）と、ＤＰＦの故障検出を行うための故障検出装置が知られている。例えば、ＤＰＦの前後における排気の差圧に基づいて、ＤＰＦの故障検出を行う装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２１５９２６号公報

上記の故障検出装置では、排気中のＰＭ濃度が低い場合に、ＤＰＦの前後における排気の差圧変化が小さくなり、故障検出を正しく行えない場合があった。また、ＰＭを直接測定してＤＰＦの故障判定を行う方法もあるが、排気中のＰＭ濃度が低い場合にはセンサの出力値が小さくなるため、同様に故障検出を正しく行えない場合があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、排気浄化装置の故障検出装置における検出精度を向上させることを目的とする。

本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集可能な排気浄化装置の故障検出装置であって、前記排気浄化装置の後段に設けられ、前記粒子状物質を検出するセンサと、前記センサの出力に基づき、前記排気浄化装置に捕集された前記粒子状物質の除去を行う除去手段と、前記除去手段による前記粒子状物質の除去が完了してから、前記センサの出力が安定するまでの第１安定時間に基づき、前記排気浄化装置の故障判定を行う判定手段と、を備える。

上記構成において、前記判定手段は、前記第１安定時間が第１基準安定時間より小さい場合に、前記排気浄化装置が故障していないと判定し、前記第１安定時間が前記第１基準安定時間より大きい場合に、前記排気浄化装置が故障していると判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記判定手段は、前記第１安定時間が前記第１基準安定時間より小さい第２基準安定時間より小さい場合に、前記排気浄化装置が故障しておらず且つ前記粒子状物質の除去が不十分であると判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記判定手段は、前記センサの出力が安定した時点における前記センサの出力が基準出力より小さい場合に、前記センサが故障していると判定する構成とすることができる。

上記構成において、前記判定手段は、前記排気浄化装置の出荷時におけるエージング処理時において、前記エージング処理を開始してから前記センサの出力が安定するまでの第２安定時間が第３基準安定時間より小さい場合に、前記エージング処理を終了し、前記第２安定時間が前記第３基準安定時間より大きい場合に、前記エージング処理を延長する構成とすることができる。

本発明によれば、排気浄化装置の故障検出装置における検出精度を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る故障検出装置の構成を示す図である。図２は、ＤＰＦ再生時における関連パラメータの変化を示す図である。図３は、故障検出動作における判定閾値を示す図である。図４は、実施例１に係る故障検出装置の動作を示す図である。図５は、実施例２に係る故障検出装置の動作を示す図である。

図１は、実施例１に係る内燃機関２００及び故障検出装置１００の構成を示す図である。図中の矢印１４は、排気の流れを示す。燃焼室１０の後段の排気通路に、ディーゼルパティキュレートフィルタ２０（以下ＤＰＦ２０）が設けられている。ＤＰＦ２０の後段には、ＰＭセンサ３０が設けられている。燃焼室１０には、燃料供給のためのインジェクタ１２が設けられている。

ＤＰＦ２０は、燃焼室１０からの排気中に含まれるＰＭを捕集し、浄化するための装置であり、本発明における排気浄化装置に相当する。ＰＭは、未燃焼の炭素を主成分とし、他にもＳＯｘや各種の金属成分を含む。ＤＰＦ２０は、例えばハニカム構造を有する構造体であり、濾過壁により上流側と下流側とが分離されている。排気が濾過壁を通過する際に、排気中のＰＭが濾過壁へと吸着される。

ＰＭセンサ３０は、ＤＰＦ２０を通過した排気中のＰＭを検出するセンサであり、本発明におけるセンサに相当する。ＰＭセンサ３０は、ＤＰＦ２０の後段に排出されたＰＭの累積値を検出する。

ＥＣＵ４０は、ＰＭセンサ３０の出力からＤＰＦ２０後段に排出されたＰＭ累積値を取得する。ＥＣＵ４０は、ＰＭセンサ３０の出力値に基づいて、ＤＰＦ２０の故障判定を行う判定手段として機能する。

また、ＥＣＵ４０は、ＰＭセンサ３０センサの出力値及び予め定められた運転条件に基づいて、内燃機関２００の運転制御を行う。上記運転制御には、燃焼室１０に供給される燃料の噴射量や噴射時期の制御等が含まれる。ＥＣＵ４０は、燃焼室１０に設けられたインジェクタ１２を制御することにより、上記の燃料の噴射制御を行うことができる。なお、インジェクタ１２は、本実施例のように燃焼室１０に設けられていてもよいが、燃焼室１０の吸気系（例えば、吸気ポート）に設けられていてもよい。

ＥＣＵ４０は、ＰＭ累積値の値が所定値より大きくなった場合に、ＤＰＦ２０に堆積されたＰＭを除去し、ＤＰＦ２０を再生させる処理を行う。ＤＰＦ再生は、例えば、排気系への燃料添加により排気ガスの温度を上昇させ、ＤＰＦ２０に付着したＰＭを燃焼除去することにより行うことができる。以上のように、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２０に捕集されたＰＭの除去を行う除去手段としても機能する。なお、ＰＭの除去は上記以外の方法で行ってもよい。

図２は、ＤＰＦ２０の再生直後における関連パラメータの変化を示す図である。図２（ａ）はＤＰＦ捕集率を、図２（ｂ）はＰＭ粒子数濃度を、図２（ｃ）はＰＭセンサ３０の出力をそれぞれ示す。ＤＰＦ捕集率とは、ＤＰＦ２０に吸入されたＰＭのうち、ＤＰＦ２０の濾過壁に捕集されたＰＭの割合を示すものであり、例えばＤＰＦ２０の前後におけるＰＭ分析計から算出することができる。ＰＭ粒子数濃度とは、ＤＰＦ２０を通過した排気中に含まれるＰＭの濃度（単位体積当たりの粒子数）を示すものであり、例えばＰＭにレーザ光を照射することにより直接測定することができる。図２（ａ）〜（ｃ）において、横軸は時間を示し、時間が「０」の箇所はＤＰＦ２０の再生が終了した時点（計測開始時点）を示す。また、ＤＰＦ２０が故障していない場合の出力を実線で示し、ＤＰＦ２０が故障している場合の出力を点線で示す。なお、以下の説明において、ＤＰＦ２０が故障していない場合を「正常」、故障している場合を「異常」と称する場合がある。

図２（ａ）に示すように、ＤＰＦ２０における捕集率は、正常時と異常時の両方において、再生直後（ＤＰＦ２０にＰＭがほとんど捕集されていない状態）では小さい値となっている。そして、ＤＰＦ２０が正常である場合、時間が経過してＰＭが付着し始めると、捕集率は急激に増加してその後一定の値となるが、ＤＰＦ２０が異常である場合には時間が経過しても捕集率が安定しない。これは、例えばＤＰＦ２０の故障により構造体に欠陥が発生するなどして、捕集率が上昇しにくくなっているためと考えられる。

図２（ｂ）に示すように、ＤＰＦ２０後段のＰＭ粒子数濃度は、正常時と異常時の両方において、再生直後では大きい値となっている。そして、ＤＰＦ２０が正常である場合、時間が経過してＰＭが付着し始めると、ＰＭ粒子数濃度は急激に減少するが、ＤＰＦ２０が異常である場合には時間が経過してもＰＭ粒子数濃度がなかなか低下しない。

図２（ｃ）に示すように、ＰＭセンサ３０の出力は、正常時と異常時の両方において、再生直後から時間の経過とともに増加する。そして、そして、ＤＰＦ２０が正常である場合、再生から所定の時間ｔ１が経過するとＰＭセンサ３０の出力は安定するが、ＤＰＦ２０が異常である場合には、ＰＭセンサ３０の出力が安定するまでの時間ｔ２が正常時よりも長い。本実施例では、上記知見に基づき、ＤＰＦ２０の再生が完了してからＰＭセンサ３０の出力が安定するまでの時間（以下、安定時間ｔと称する）を用いて、ＤＰＦ２０の故障判定を行う。

図３は、故障検出動作における判定閾値を示す図である。図２（ａ）〜（ｃ）と同様に、ＤＰＦ２０が正常である場合の出力を実線で示し、ＤＰＦ２０が故障している場合の出力を点線で示す。また、ＤＰＦ２０が正常であるが再生不足である場合の出力と、ＰＭセンサ３０自体が故障している場合の出力を併せて示す。上述したように、ＤＰＦ２０が異常である場合の安定時間ｔ２は、ＤＰＦ２０が正常である場合の安定時間ｔ１よりも大きい。従って、これら２つの状態を判別するために、ｔ１より大きくｔ２より小さい判定閾値（以下、第１基準安定時間Ｔ１と称する）を設ける。

また、ＤＰＦ２０再生後におけるＰＭセンサ３０の安定時間が極端に短い場合（ｔ３）、ＤＰＦ２０は正常であるが、ＰＭの除去が不十分（再生不足）であると考えられる。従って、ＤＰＦ２０が正常でかつ再生が十分である場合と、正常ではあるが再生が不十分である場合とを区別するために、ｔ３より大きくｔ１より小さい判定閾値（以下、第２基準安定時間Ｔ２と称する）を設ける。第２基準安定時間Ｔ２は、第１基準安定時間Ｔ１より常に小さい。

また、ＰＭセンサ３０の出力（以下、出力ｖとも称する）が極端に小さい場合には、ＰＭセンサ３０自体に故障が生じていると考えられる。このため、ＰＭセンサ３０の故障を判定するための閾値（以下、基準出力Ｖｔｈと称する）を設ける。

図４は、実施例１に係る故障検出装置の動作を示す図である。最初に、除去手段としてのＥＣＵ４０が、ＤＰＦ２０におけるＰＭ除去処理（再生処理）を行う（ステップＳ１０）。次に、ＥＣＵ４０は、上記のＤＰＦ再生処理が完了したか否かを判定し（ステップＳ１２）、完了した場合にはＰＭ除去処理を終了する（ステップＳ１４）。

次に、判定手段としてのＥＣＵ４０が、上記のＰＭ除去処理が完了してから、ＰＭセンサ３０の出力が安定するまでの安定時間ｔを取得する（ステップＳ１６）。ＰＭセンサ３０の出力が安定するとは、ＰＭセンサ３０の出力変化が極小となることを意味する。ＰＭセンサ３０の出力が安定したか否かは、例えば所定時間内におけるＰＭセンサ３０の出力変化量（微分値）を測り、その値が所定の閾値より小さいか否かにより判定することができる。また、上記以外の方法により判定することもできる。

次に、ＥＣＵ４０が、ステップＳ１６において取得した安定時間ｔを、予め定められた第２基準安定時間Ｔ２と比較する（ステップＳ１８）。ｔがＴ２より小さい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０の出力値ｖを基準出力Ｖｔｈと比較する（ステップＳ２０）。ｖがＶｔｈより小さい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０が故障していると判定する（ステップＳ２２）。ｖがＶｔｈより大きい場合、ＥＣＵ４０はＤＰＦ２０の再生が不足していると判定し（ステップＳ２４）、再度ＰＭ除去処理を行う（ステップＳ２６）。

ステップＳ１８において、ｔがＴ２より大きい場合、ＥＣＵ４０はステップＳ１６において取得した安定時間ｔを、予め定められた第１基準安定時間Ｔ１と比較する（ステップＳ２８）。ｔがＴ１より小さい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０の出力値ｖを基準出力Ｖｔｈと比較する（ステップＳ３０）。ｖがＶｔｈより小さい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０が故障していると判定する（ステップＳ３２）。ｖがＶｔｈより大きい場合、ＥＣＵ４０はＤＰＦ２０が正常であると判定する（ステップＳ３４）。

ステップＳ２８において、ｔがＴ１より大きい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０の出力値ｖを基準出力Ｖｔｈと比較する（ステップＳ３６）。ｖがＶｔｈより小さい場合、ＥＣＵ４０はＰＭセンサ３０が故障していると判定する（ステップＳ３８）。ｖがＶｔｈより大きい場合、ＥＣＵ４０はＤＰＦ２０が異常であると判定する（ステップＳ４０）。

実施例１に係る故障検出装置１００によれば、ＤＰＦ２０におけるＰＭ除去処理が完了してからＰＭセンサ３０の出力ｖが安定するまでの安定時間ｔに基づいて、ＥＣＵ４０がＤＰＦ２０の故障判定を行う。これにより、排気中のＰＭ濃度が低く、ＰＭセンサ３０の出力値が小さい場合でも、ＤＰＦ２０の故障検出を精度良く行うことができる。

より詳細には、安定時間ｔと第１基準安定時間Ｔ１とを比較することにより、ＤＰＦ２０が正常であるか異常であるか（ＤＰＦ２０が故障しているか否か）の判定を行うことができる。また、安定時間ｔと第２基準安定時間Ｔ２とを比較することにより、ＤＰＦ２０の再生（ＰＭ除去処理）が十分であるか不十分であるかの判定を行うことができる。さらに、出力が安定した時点におけるＰＭセンサ３０の出力ｖを基準出力Ｖｔｈと比較することにより、ＰＭセンサ３０が故障しているか否かの判定を行うことができる。

第１基準安定時間Ｔ１、第２基準安定時間Ｔ２、及び基準出力Ｖｔｈは、それぞれ任意に定めることができるが、運転条件に応じて設定されたＰＭ発生量予測値に基づいて、これらの判定閾値を設定することが好ましい。その場合、ＰＭ発生量の予測値が大きいほど、第１基準安定時間Ｔ１、第２基準安定時間Ｔ２、及び基準出力Ｖｔｈはそれぞれ大きくすることが好ましい。これにより、ＤＰＦ２０及びＰＭセンサ３０の故障検出制度をさらに向上させることができる。

実施例２は、実施例１にて説明した故障診断装置の構成を、出荷時におけるエージング処理の終了判定に適用した例である。出荷時におけるＤＰＦ２０は、ＰＭがまだ堆積していないため、ＰＭ捕集率が低い。そこで、内燃機関２００を所定時間運転させ、ＤＰＦ２０にＰＭを堆積させる処理（エージング処理）が必要となる。

図５は、実施例２に係る故障検出装置の動作を示す図である。最初に、ＥＣＵ４０が、内燃機関２００の運転を開始する（ステップＳ５０）。また、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ２０におけるＰＭ除去制御をオフにする（ステップＳ５２）。そして、実施例１と同様に、ＥＣＵ４０が、ステップＳ５０で運転を開始してからＰＭセンサ３０の出力が安定するまでの安定時間ｔを取得する（ステップＳ５４）。

次に、ＥＣＵ４０が、ステップＳ５４において取得した安定時間ｔを、予め定められた第３基準安定時間Ｔ３と比較する（ステップＳ５６）。ｔがＴ３より小さい場合、ＥＣＵ４０はＤＰＦ２０におけるエージング処理が十分であるとして、エージング処理を終了する（ステップＳ５８）。ｔがｔ３より大きい場合、ＥＣＵ４０はＤＰＦ２０におけるエージング処理が十分でないとして、エージング処理を延長する（ステップＳ６０）。

以上のように、実施例２に係る故障検出装置によれば、実施例１と共通の機構を用いて、出荷時におけるエージング処理を終了するか否かの判定を行うことができる。すなわち、エージング処理を開始してからＰＭセンサ３０の出力が安定するまでの安定時間時間が、所定の時間より小さければエージングが十分であり、所定の時間より大きければエージングが不十分であると判定される。なお、本明細書では、実施例１における安定時間（第１安定時間と称する）を、実施例２における安定時間（第２安定時間と称する）と区別する。また、実施例１における基準安定時間（第１基準安定時間Ｔ１及び第２基準安定時間Ｔ２）を、実施例２における基準安定時間（第３基準安定時間Ｔ３）と区別する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０燃焼室
１２インジェクタ
２０ＤＰＦ
３０ＰＭセンサ
４０ＥＣＵ
１００故障検出装置
２００内燃機関

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集可能な排気浄化装置の故障検出装置であって、
前記排気浄化装置の後段に設けられ、前記粒子状物質を検出するセンサと、
前記センサの出力に基づき、前記排気浄化装置に捕集された前記粒子状物質の除去を行う除去手段と、
前記除去手段による前記粒子状物質の除去が完了してから、前記センサの出力が安定するまでの第１安定時間に基づき、前記排気浄化装置の故障判定を行う判定手段と、
を備えることを特徴とする排気浄化装置の故障検出装置。
前記判定手段は、前記第１安定時間が第１基準安定時間より小さい場合に、前記排気浄化装置が故障していないと判定し、前記第１安定時間が前記第１基準安定時間より大きい場合に、前記排気浄化装置が故障していると判定することを特徴とする請求項１に記載の故障検出装置。
前記判定手段は、前記第１安定時間が前記第１基準安定時間より小さい第２基準安定時間より小さい場合に、前記排気浄化装置が故障しておらず且つ前記粒子状物質の除去が不十分であると判定することを特徴とする請求項２に記載の故障検出装置。
前記判定手段は、前記センサの出力が安定した時点における前記センサの出力が基準出力より小さい場合に、前記センサが故障していると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の故障検出装置。
前記判定手段は、前記排気浄化装置の出荷時におけるエージング処理時において、前記エージング処理を開始してから前記センサの出力が安定するまでの第２安定時間が第３基準安定時間より小さい場合に、前記エージング処理を終了し、前記第２安定時間が前記第３基準安定時間より大きい場合に、前記エージング処理を延長することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の故障検出装置。