JP2015071991A - 診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】診断装置に関し、再生インターバル間の熱劣化を考慮に入れて、診断精度を向上する。【解決手段】ＤＯＣ、ＤＰＦ、排気管内噴射装置２３を備える排気浄化システムの診断装置であって、ＤＯＣの温度を検出する温度センサ２５と、再生インターバル間に温度センサ２５から入力される温度の積算時間を所定の設定温度に対する熱履歴時間に換算すると共に、この熱履歴時間に基づいてＤＯＣの劣化度を演算する第１ＤＯＣ劣化度演算部４１と、強制再生実行期間に温度センサ２５から入力される温度に基づいてＤＯＣ内での発熱量を演算すると共に、この発熱量に基づいてＤＯＣの劣化度を演算する第２ＤＯＣ劣化度演算部４２と、これらＤＯＣ劣化度演算部４１，４２から入力される劣化度に基づいてＤＯＣの劣化状態を診断するＤＯＣ故障診断部４３とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、診断装置に関し、特に、内燃機関の排気系に設けられる排気浄化触媒の劣化診断に関する。

ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化する酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）が知られている。また、排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）等も知られている。

ＤＯＣのＨＣ酸化能力が劣化すると、ＤＰＦの強制再生時に排気管内噴射等によってＤＯＣに供給されたＨＣの一部は、酸化されずに下流側のＤＰＦにスリップする。ＤＰＦもＨＣ酸化能を有するため、ＤＯＣからスリップしたＨＣはＤＰＦで酸化浄化され得る。しかしながら、ＤＰＦのＨＣ酸化性能も劣化すると、ＤＯＣからスリップした未燃焼のＨＣがＤＰＦを通過して大気に放出され、エミッションの悪化を招く可能性がある。そのため、ＤＯＣやＤＰＦのＨＣ酸化能力を車載状態（On-Board）で診断する要請がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１０６１４０号公報

ＤＯＣやＤＰＦのＨＣ酸化性能を診断する技術としては、これらＤＯＣやＤＰＦの前後に設けた排気温度センサの検出値から、強制再生時のＨＣ発熱率をそれぞれ推定して基準値と比較する手法等がある。特に、ＤＰＦの診断を行う場合は、前回の強制再生時に推定したＤＯＣのＨＣ発熱率に基づいて、今回の強制再生時にＤＯＣを通過するＨＣスリップ量を推定する必要がある。しかしながら、このような強制再生期間中のＨＣ発熱率にのみ着目する手法では、再生インターバル間（強制再生終了から次の強制再生開始までの期間）のＤＯＣ熱劣化を考慮していないため、精度の高い診断を行えない可能性がある。

本発明の目的は、再生インターバル間のＤＯＣ熱劣化を考慮に入れることで、ＤＯＣやＤＰＦの診断を高精度に行える診断装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の診断装置は、排気中の炭化水素を酸化可能な酸化触媒と、前記酸化触媒の排気下流側に設けられて排気中の粒子状物質を捕集可能なフィルタと、前記酸化触媒に炭化水素を供給して前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行可能な強制再生手段とを備える排気浄化システムの診断装置であって、前記酸化触媒の温度を検出する第１温度検出手段と、強制再生終了から次の強制再生開始までの期間において、前記第１温度検出手段から入力される温度の積算時間を所定の設定温度に対する熱履歴時間に換算すると共に、当該熱履歴時間に基づいて前記酸化触媒の劣化度を演算する第１劣化度演算手段と、強制再生実行期間に前記第１温度検出手段から入力される温度に基づいて前記酸化触媒内での発熱量を演算すると共に、当該発熱量に基づいて前記酸化触媒の劣化度を演算する第２劣化度演算手段と、少なくとも前記第１又は、第２劣化度演算手段から入力される劣化度に基づいて、前記酸化触媒の劣化状態を診断する第１診断手段とを備えることを特徴とする。

また、前記第１劣化度演算手段が、予め設定した前記酸化触媒の反応速度定数に前記熱履歴時間を乗算して得られる発熱量比に基づいて、前記酸化触媒の劣化度を演算することが好ましい。

また、前記フィルタの温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１及び、第２劣化度演算手段から入力される各劣化度に基づいて、強制再生実行期間に前記酸化触媒を通過する炭化水素のスリップ量を演算するスリップ量演算手段と、強制再生実行期間に前記第２温度検出手段から入力される温度及び、前記スリップ量演算手段から入力されるスリップ量に基づいて前記フィルタ内での発熱量を演算すると共に、当該発熱量に基づいて前記フィルタの劣化度を演算する第３劣化度演算手段と、前記第３劣化度演算手段から入力される劣化度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を診断する第２診断手段とをさらに備えるものでもよい。

また、外気温度を検出する第３温度検出手段をさらに備え、前記第２劣化度演算手段が、前記第３温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を演算すると共に、当該熱損失量を考慮して前記酸化触媒内での発熱量を演算し、前記第３劣化度演算手段が、前記第３温度検出手段の検出値に基づいて前記フィルタから外気に放出される熱損失量を演算すると共に、当該熱損失量を考慮して前記フィルタ内での発熱量を演算するものでもよい。

本発明の診断装置によれば、再生インターバル間のＤＯＣ熱劣化を考慮に入れることで、ＤＯＣやＤＰＦの診断を高精度に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。 発熱量比と時間との関係をグラフにした図である。 アレニウスプロットにより作成したグラフを示す図である。 再生インターバル間の温度頻度の積算時間をグラフにした図である。 図５のグラフを任意の設定温度に対する熱履歴時間に換算したグラフを示す図である。 強制再生時にＤＯＣに供給されたＨＣの酸化及び、ＤＯＣからＤＰＦにスリップしたＨＣの酸化によるエネルギ保存を説明する模式的な図である。 強制対流の影響によるＤＯＣ及び、ＤＰＦの熱損失を説明する模式的な側面図である。 本実施形態の診断装置による制御内容を示すフローチャートである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ３０、ＭＡＦセンサ３１、過給機のコンプレッサ３２ａ、インタークーラ３３等が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機のタービン３２ｂ、排気後処理装置２０等が設けられている。なお、図１中において、符号３６は外気温度センサを示している。外気温度センサ３６は、本発明の第３温度検出手段の一例として好ましい。

排気後処理装置２０は、円筒状の触媒ケース２０ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ２１と、ＤＰＦ２２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ２１の上流側には排気管内噴射装置２３、ＤＯＣ２１の上流側にはＤＯＣ入口温度センサ２５、ＤＯＣ２１とＤＰＦ２２との間にはＤＯＣ出口温度センサ２６、ＤＰＦ２２の下流側にはＤＰＦ出口温度センサ２７がそれぞれ設けられている。さらに、ＤＰＦ２２の前後には、ＤＰＦ２２の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ２９が設けられている。

排気管内噴射装置２３は、本発明の強制再生手段の一例であって、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置２３を省略してもよい。

ＤＯＣ２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ２１は、排気管内噴射装置２３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置２３又はポスト噴射によりＤＯＣ２１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ２２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。また、ＤＰＦ２２は、上流側のＤＯＣ２１で酸化されずにスリップした未燃焼のＨＣを酸化する能力を有している。

ＤＯＣ入口温度センサ２５は、本発明の第１温度検出手段の一例であって、ＤＯＣ２１に流入する上流側の排気温度（以下、ＤＯＣ入口排気温度という）を検出する。ＤＯＣ出口温度センサ２６は、本発明の第１又は第２温度検出手段の一例であって、ＤＯＣ２１から流出する下流側の排気温度（以下、ＤＯＣ出口排気温度又は、ＤＰＦ入口排気温度という）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ２７は、本発明の第２温度検出手段の一例であって、ＤＰＦ２２から流出する下流側の排気温度（以下、ＤＰＦ出口排気温度という）を検出する。これら温度センサ２５〜２７の検出値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置２３等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。

また、ＥＣＵ４０は、図２に示すように、第１ＤＯＣ劣化度演算部４１と、第２ＤＯＣ劣化度演算部４２と、ＤＯＣ故障診断部４３と、ＨＣスリップ量演算部４４と、ＤＰＦ劣化度演算部４５と、ＤＰＦ故障診断部４６とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

第１ＤＯＣ劣化度演算部４１は、本発明の第１劣化度演算手段の一例であって、ＤＰＦ２２の強制再生終了から次の強制再生開始までの期間（以下、この期間を再生インターバルという）におけるＤＯＣ２１の劣化度（以下、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}という）を演算する。このＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}は、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１のＨＣ発熱量比から求められる。以下、ＨＣ発熱量比の演算手順から説明する。

ＨＣ酸化性能が正常なＤＯＣ（例えば、新品）の発熱量と、劣化したＤＯＣの発熱量との比（以下、ＨＣ発熱量比ＬＮ）が、図３に示すように時間ｔに対して線形であると仮定すると、発熱量比ＬＮは、反応速度定数を「ｋ」とする以下の数式１で表される。

アレニウスの式は、活性化エネルギ：Ｅａ、流体温度：Ｔ、流体定数：Ｒ、頻度因子：Ａとする以下の数式２で表される。

数式２を自然対数（ＬＮ）の形式にすると、以下の数式３で表される。

予め実験等によりＤＯＣ２１の各温度毎の反応速度定数ｋを求めておき、数式３に基づいて、図４に示すような縦軸をＬＮｋ、横軸を温度の逆数：１／Ｔとするアレニウスプロットを作成すると、傾きから活性化エネルギＥａ及び、切片から頻度因子Ａが得られる。

図５は、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１の温度頻度Ｔ_nを時間で積算した一例を示している。これら温度頻度Ｔ_nの積算時間ｔ_nは、以下の数式４を用いることで、任意の設定温度Ｔ_Xに対する熱履歴時間ｔ_heatに換算することができる（図６参照）。なお、熱履歴時間ｔ_heatとは、ＤＯＣ２１が再生インターバル間に任意の設定温度Ｔ_Xで何時間相当の熱負荷を受けたかを示す熱負荷時間である。また、任意の設定温度Ｔ_Xは、ＤＯＣ２１の容量等に応じて適宜設定することができる。

数式３の活性化エネルギＥａ及び頻度因子Ａをアレニウスプロット（図４参照）により決定し、この数式３に任意の設定温度Ｔ_Xを代入すると、任意の設定温度Ｔ_Xに対する反応速度定数ｋを得ることができる。さらに、この反応速度定数ｋ及び、数式４から換算される熱履歴時間ｔ_heatを以下の数式５に代入すると、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１の発熱量比ＬＮを求めることができる。

本実施形態のＥＣＵ４０には、上述の手順で求めた任意の設定温度Ｔ_Xに対する反応速度定数ｋ、数式４及び、数式５が予め記憶されている。第１ＤＯＣ劣化度演算部４１は、再生インターバル間にＤＯＣ入口温度センサ２５から入力されるＤＯＣ２１の温度頻度Ｔ_nの積算時間ｔ_nを、数式４に基づいて任意の設定温度Ｔ_Xに対する熱履歴時間ｔ_heatに換算する。そして、この熱履歴時間ｔ_heatを数式５に代入して得られる発熱量比ＬＮに基づいて、再生インターバル間のＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}（＝１−ＬＮ）を演算する。なお、温度頻度Ｔ_nの積算時間ｔ_nは、例えばＥＣＵ４０に内蔵されたタイマ等を用いて計時すればよい。また、温度頻度Ｔ_nは、ＤＯＣ入口温度センサ２５の検出値とＤＯＣ出口温度センサ２６の検出値との平均値として求めてもよい。

第２ＤＯＣ劣化度演算部４２は、本発明の第２劣化度演算手段の一例であって、ＤＰＦ２２の強制再生実行期間におけるＤＯＣ２１の劣化度（以下、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}という）を演算する。このＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}は、強制再生実行期間におけるＤＯＣ２１のＨＣ実発熱率から求められる。以下、強制再生時におけるＤＯＣ２１のＨＣ実発熱率の演算手順を説明する。

図７に示すように、強制再生時に排気管内噴射装置２３からＤＯＣ２１に供給されたＨＣの実発熱量Ｃ_{DOC_act}は、ＤＯＣ２１の上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}と下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}との排気エネルギ差に、ＤＯＣ２１から外気に放出される熱損失量Ｑ_{DOC_lost}を加算することで得られる。

上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}は、以下の数式６に基づいて演算され、下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}は以下の数式７に基づいて演算される。

数式６，７において、ｃ_exhは排気比熱を示している。また、ｍ_exhは排気流量であって、ＭＡＦセンサ３１の検出値及びエンジン１０の燃料噴射量等から取得される。なお、排気流量ｍ_exhは、排気流量センサ（不図示）等から直接的に取得してもよい。Ｔ_{DOC_in}はＤＯＣ入口排気温度であって、ＤＯＣ入口温度センサ２５で取得される。Ｔ_{DOC_out}はＤＯＣ出口排気温度であって、ＤＯＣ出口温度センサ２６で取得される。

熱損失量Ｑ_{DOC_lost}は、自然対流による熱損失量Ｑ_{DOC_natural}と、強制対流による熱損失量Ｑ_{DOC_forced}との総和（Ｑ_{DOC_lost}＝Ｑ_{DOC_natural}＋Ｑ_{DOC_forced}）と仮定することができる。

自然対流による熱損失量Ｑ_{DOC_natural}は、以下の数式８に基づいて演算される。

数式８において、Ａ_{s_DOC}はＤＯＣ２１の外周面（又は、触媒ケース２０ａのＤＯＣ２１が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。Ｔ_{DOC_brick}はＤＯＣ２１の内部温度であって、ＤＯＣ入口排気温度Ｔ_{DOC_in}とＤＯＣ出口排気温度Ｔ_{DOC_out}との平均値として取得される。Ｔ_ambientは外気温度であって、外気温度センサ３６で取得される。ｈ_{n_DOC}は自然対流の熱伝達率であって、以下の数式９から得られる。

数式９において、ｋは空気の熱伝導率を示している。Ｌ_{n_DOC}はＤＯＣ２１の代表長さであって、ＤＯＣ２１の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{n_DOC}は、自然対流のヌセルト数を示している。

一般的に、ＤＯＣ２１は円柱状であって、さらにＤＯＣ２１を収容する触媒ケース２０ａは略円筒状に形成されている。そのため、ＤＯＣ２１内で発生した酸化熱は、これらＤＯＣ２１や触媒ケース２０ａの円筒外周面の全面を介して外気に放熱されると考えられる。自然対流による放熱が、軸心を水平方向に向けた円筒外周面の全面から伝わると仮定すると、ヌセルト数Ｎｕ_{n_DOC}は、グラスホス数：Ｇｒ、プラントル数：Ｐｒとする以下の数式１０から得られる。

強制対流による熱損失量Ｑ_{DOC_forced}は、以下の数式１１に基づいて演算される。

数式１１において、Ａ_{f_DOC}はＤＯＣ２１の外周面（又は、触媒ケース２０ａのＤＯＣ２１が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ｈ_{f_DOC}は強制対流の熱伝達率であって、以下の数式１２から得られる。

数式１２において、Ｌ_{f_DOC}はＤＯＣ２１の代表長さであって、ＤＯＣ２１の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{f_DOC}は、強制対流のヌセルト数を示している。

図８に示すように、一般的にＤＯＣ２１を収容した触媒ケース２０ａは車体のシャシフレームＳの下部に固定され、その前方には変速機ＴＭ等が配置されている。そのため、走行時に車体前方から下部に流れ込む走行風は、ＤＯＣ２１（又は、触媒ケース２０ａ）の下面部にのみ影響を与える平板上の乱流と仮定することができる。すなわち、強制対流のヌセルト数Ｎｕ_{f_DOC}は、平板上の乱流熱伝達式を解いて導かれる以下の数式１３から得られる。

数式１３において、Ｒｅはレイノルズ数を示している。レイノルズ数Ｒｅは、空気の平均速度：ｖ、空気密度：ρ、ＤＯＣ２１の代表長さ：Ｌ_{f_DOC}、動粘性係数：μとする以下の数式１４から得られる。

第２ＤＯＣ劣化度演算部４２は、上述の数式６に基づいて演算した上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}と、上述の数式７に基づいて演算した下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}との排気エネルギ差に、上述の数式８〜１４に基づいて演算した熱損失量Ｑ_{DOC_lost}を加算することで、強制再生実行期間におけるＤＯＣ２１のＨＣ実発熱量Ｃ_{DOC_act}を演算する。そして、ＨＣ実発熱量Ｃ_{DOC_act}を排気管内噴射（又はポスト噴射）の理論発熱量Ｃ_{DOC_theo}で除算してＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}を求めると共に、このＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}に基づいて強制再生実行期間のＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}（＝１−Ｃ_{DOC_act%}）を演算する。なお、理論発熱量Ｃ_{DOC_theo}は、排気管内噴射量（又はポスト噴射量）ＨＣ_{inj_qty}にＨＣの理論発熱率Ｃ_theo%を乗算することで得られる（Ｃ_{DOC_theo}＝ＨＣ_{inj_qty}×Ｃ_theo%）。

ＤＯＣ故障診断部４３は、本発明の第１診断手段の一例であって、第１ＤＯＣ劣化度演算部４１から入力されるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}及び、第２ＤＯＣ劣化度演算部４２から入力されるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}に基づいて、ＤＰＦ２２の故障を判定する。例えば、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}又はＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}がＨＣ酸化性能の劣化を示す所定の上限閾値Ｄ_{DOC_max}を超えると、ＤＯＣ２１は故障と判定される。

ＨＣスリップ量演算部４４は、本発明のスリップ量演算手段の一例であって、第１ＤＯＣ劣化度演算部４１から入力されるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}及び、第２ＤＯＣ劣化度演算部４２から入力されるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}に基づいて、ＤＯＣ２１で酸化されずに下流側のＤＰＦ２２に流れ込む未燃焼ＨＣのスリップ量ＨＣ_{slp_qty}を演算する。スリップ量ＨＣ_{slp_qty}は、今回の強制再生時の排気管内噴射量ＨＣ_{inj_qty}に、前回の強制再生実行期間に求めたＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}及び、直前の再生インターバル間に求めたＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}をそれぞれ乗算することで演算される（ＨＣ_{slp_qty}＝ＨＣ_{inj_qty}×（Ｄ_{DOC_int}＋Ｄ_{DOC_reg}））。

ＤＰＦ劣化度演算部４５は、本発明の第３劣化度演算手段の一例であって、強制再生実行期間におけるＤＰＦ２２の劣化度（以下、ＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}という）を演算する。このＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}は、強制再生時にＤＯＣ２１をスリップしてＤＰＦ２２に流れ込んだＨＣの実発熱率から求められる。以下、ＤＰＦ２２の強制再生時におけるＨＣ実発熱率の演算手順を説明する。

図７に示すように、ＤＯＣ２１をスリップしてＤＰＦ２２で酸化されるＨＣの実発熱量Ｃ_{DPF_act}は、ＤＰＦ２２の上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}と下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}との排気エネルギ差に、ＤＰＦ２２から外気に放出される熱損失量Ｑ_{DPF_lost}を加算することで得られる。

上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}は、以下の数式１５に基づいて演算され、下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}は以下の数式１６に基づいて演算される。

数式１５，１６において、Ｔ_{DPF_in}はＤＰＦ入口排気温度であって、ＤＯＣ出口温度センサ２６で取得される。Ｔ_{DPF_out}はＤＰＦ出口排気温度であって、ＤＰＦ出口温度センサ２７で取得される。

熱損失量Ｑ_{DPF_lost}は、自然対流による熱損失量Ｑ_{DPF_natural}と、強制対流による熱損失量Ｑ_{DPF_forced}との総和（Ｑ_{DPF_lost}＝Ｑ_{DPF_natural}＋Ｑ_{DPF_forced}）と仮定することができる。

自然対流による熱損失量Ｑ_{DPF_natural}は、以下の数式１７に基づいて演算される。

数式１７において、Ａ_{s_DPF}はＤＰＦ２２の外周面（又は、触媒ケース２０ａのＤＰＦ２２が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。Ｔ_{DPF_brick}はＤＰＦ２２の内部温度であって、ＤＰＦ入口排気温度Ｔ_{DPF_in}とＤＰＦ出口排気温度Ｔ_{DPF_out}との平均値として取得される。ｈ_{n_DPF}は自然対流の熱伝達率であって、以下の数式１８から得られる。

数式１８において、Ｌ_{n_DPF}はＤＰＦ２２の代表長さであって、ＤＰＦ２２の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{n_DPF}は、自然対流のヌセルト数であって、上述の数式１０と同様に、ＤＰＦ２２や触媒ケース２０ａの円筒外周面の全面から放熱されると仮定すると、以下の数式１９から得ることができる。

強制対流による熱損失量Ｑ_{DPF_forced}は、以下の数式２０に基づいて演算される。

数式２０において、Ａ_{f_DPF}はＤＰＦ２２の外周面（又は、触媒ケース２０ａのＤＰＦ２２が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ｈ_{f_DPF}は強制対流の熱伝達率であって、以下の数式２１から得られる。

数式２１において、Ｌ_{f_DPF}はＤＰＦ２２の代表長さであって、ＤＰＦ２２の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{f_DPF}は、強制対流のヌセルト数であって、上述の数式８と同様に、強制対流がＤＰＦ２２（又は、触媒ケース２０ａ）の下面部にのみ影響を与える平板上の乱流と仮定すると、以下の数式２２から得ることができる。

数式１７のレイノルズ数Ｒｅは、空気の平均速度：ｖ、空気密度：ρ、ＤＰＦ２２の代表長さ：Ｌ_{f_DPF}、動粘性係数：μとする以下の数式２３から得られる。

ＤＰＦ劣化度演算部４５は、上述の数式１５に基づいて演算した上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}と、上述の数式１６に基づいて演算した下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}との排気エネルギ差に、上述の数式１７〜２３に基づいて演算した熱損失量Ｑ_{DPF_lost}を加算することで、強制再生実行期間におけるＤＰＦ２２のＨＣ実発熱量Ｃ_{DPF_act}を演算する。そして、ＨＣ実発熱量Ｃ_{DPF_act}をスリップＨＣの理論発熱量Ｃ_{DPF_theo}で除算してＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}を求めると共に、このＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}に基づいて強制再生実行期間のＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}（＝１−Ｃ_{DPF_act%}）を演算する。なお、理論発熱量Ｃ_{DPF_theo}は、スリップ量ＨＣ_{slp_qty}にＨＣの理論発熱率Ｃ_theo%を乗算することで得られる（Ｃ_{DPF_theo}＝Ｃ_{slp_qty}×Ｃ_theo%）。

ＤＰＦ故障診断部４６は、本発明の第２診断手段の一例であって、ＤＰＦ劣化度演算部４５から入力されるＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}に基づいて、ＤＰＦ２２の故障を判定する。例えば、ＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}がＨＣ酸化性能の劣化を示す所定の上限閾値Ｄ_{DPF_max}を超えると、ＤＰＦ２２は故障と判定される。

次に、図９に基づいて、本実施形態の診断装置による制御フローを説明する。なお、図９のフローチャートにおいて、Ｆ₁はＤＰＦ２２の強制再生開始を示す判定フラグであり、強制再生の開始時にオン（Ｆ₁＝１）、強制再生の終了時にオフ（Ｆ₁＝０）に設定される。強制再生の開始判定は差圧センサ２９の検出値に基づいて行われ、強制再生の終了判定はＥＣＵ４０の計算値に基づいて行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００でＤＰＦ２２の強制再生が開始（Ｆ₁＝１）されると、Ｓ１１０では、強制再生実行期間におけるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}の演算が開始される。

強制再生開始から所定時間が経過してＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}の演算を終了すると、Ｓ１２０では、強制再生実行期間におけるＤＯＣ２１の故障判定が実行される。ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}が上限閾値Ｄ_{DOC_max}を超えている場合（Ｙｅｓ）は、ＨＣが下流側のＤＰＦ２２にスリップしているため、Ｓ２００に進みＤＯＣ２１を故障と判定する。一方、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}が上限閾値Ｄ_{DOC_max}未満の場合（Ｎｏ）は、ＨＣ酸化性能が劣化していないためＳ１３０に進む。

Ｓ１３０でＤＰＦ２２の強制再生が終了（Ｆ₁＝０）すると、Ｓ１４０では、再生インターバル間におけるＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}の演算が開始される。

Ｓ１５０で次の強制再生が開始（Ｆ₁＝１）されると、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}の演算が終了する。そのため、Ｓ１６０では、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１の故障判定が実行される。ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}が上限閾値Ｄ_{DOC_max}を超えている場合（Ｙｅｓ）は、ＨＣが下流側のＤＰＦ２２にスリップしているためＳ２００に進む。一方、ＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}が上限閾値Ｄ_{DOC_max}未満の場合（Ｎｏ）は、ＤＯＣ２１のＨＣ酸化性能が劣化していない（ＨＣがスリップしない）ため、Ｓ３００に進みＤＯＣ２１を正常と判定する。

Ｓ２１０では、強制再生実行期間におけるＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}の演算が開始される。ＨＣスリップ量は、今回の強制再生時の排気管内噴射量ＨＣ_{inj_qty}に、Ｓ１１０で演算された強制再生実行期間のＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_reg}及び、Ｓ１４０で演算された再生インターバル間のＤＯＣ劣化度Ｄ_{DOC_int}をそれぞれ乗算することで求められる。

強制再生開始から所定時間経過して、ＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}の演算が終了すると、Ｓ２２０では、ＤＰＦ２２の故障判定が実行される。ＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_reg}が上限閾値Ｄ_{DPF_max}を超えている場合（Ｙｅｓ）は、ＨＣがＤＰＦ２２をスリップして大気に放出され得る状態のため、Ｓ２３０に進みＤＰＦ２２を故障と判定する。一方、ＤＰＦ劣化度Ｄ_{DPF_regg}が上限閾値Ｄ_{DOC_max}未満の場合（Ｎｏ）は、ＤＰＦ２２のＨＣ酸化性能が劣化していない（ＤＯＣ２１をスリップしたＨＣはＤＰＦ２２で浄化され得る）ため、Ｓ３１０に進みＤＰＦ２２（排気後処理装置２０）を正常と判定する。その後、上述の各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る診断装置による作用効果を説明する。

一般的に、ＤＯＣ２１やＤＰＦ２２の劣化診断は、ＤＯＣ２１やＤＰＦ２２のＨＣ発熱率等を強制再生時に推定することで行われている。特に、ＤＰＦ２２の劣化診断を行う場合は、前回の強制再生時に推定したＤＯＣ２１のＨＣ発熱率から、今回の強制再生時のＨＣスリップ量を推定する必要がある。しかしながら、このような手法では、再生インターバル間のＤＯＣ２１の熱劣化を考慮していないため、精度の高い診断を行えない可能性がある。

これに対し、本実施形態の診断装置は、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１の熱履歴時間を演算すると共に、この熱履歴時間から求められる発熱量比に基づいて、再生インターバル間のＤＯＣ劣化度を演算する。さらに、ＤＰＦ２２の劣化診断を行う際は、再生インターバル間のＤＯＣ劣化度及び、強制再生実行期間のＤＯＣ劣化度の双方を考慮に入れて、ＤＯＣ２１からＤＰＦ２２に流れ込むＨＣスリップ量を演算するように構成されている。

したがって、本実施形態の診断装置によれば、再生インターバル間におけるＤＯＣ２１の熱劣化を考慮に入れたＨＣスリップ量の演算が可能となり、ＤＯＣ２１やＤＰＦ２２の劣化診断を高精度に行うことができる。

また、本実施形態の診断装置では、強制再生時にＤＯＣ２１に供給されたＨＣの実発熱量は、ＤＯＣ２１の上流側及び下流側の排気エネルギ差と、ＤＯＣ２１から外気に放熱される熱損失量とに基づいて演算される。さらに、ＤＯＣ２１からスリップしてＤＰＦ２２で酸化されるＨＣの実発熱量は、ＤＰＦ２２の上流側及び下流側の排気エネルギ差と、ＤＰＦ２２から外気に放熱される熱損失量とに基づいて演算される。

すなわち、強制再生時のＤＯＣ２１及びＤＰＦ２２のＨＣ発熱量を上流側及び下流側の排気温度差のみに基づいて演算する手法に比べて、外気への熱損失量を考慮に入れることで高精度に演算するように構成されている。したがって、本実施形態の診断装置によれば、強制再生時におけるＤＯＣ２１及びＤＰＦ２２の診断精度を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、ＤＰＦ２２の劣化診断は、ＤＯＣ２１からＨＣがスリップしている場合に行われるものとして説明したが、ＤＯＣ２１が劣化していない場合にも行うように構成してもよい。この場合は、排気管内噴射（又は、ポスト噴射）の噴射量を増加させて、ＤＯＣ２１からＨＣを意図的にスリップさせればよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
２０ 排気後処理装置
２１ ＤＯＣ
２２ ＤＰＦ
２３ 排気管内噴射装置
２５ ＤＯＣ入口温度センサ
２６ ＤＯＣ出口温度センサ
２７ ＤＰＦ出口温度センサ
４０ ＥＣＵ
４１ 第１ＤＯＣ劣化度演算部
４２ 第２ＤＯＣ劣化度演算部
４３ ＤＯＣ故障診断部
４４ ＨＣスリップ量演算部
４５ ＤＰＦ劣化度演算部
４６ ＤＰＦ故障診断部

Claims (4)

1. 排気中の炭化水素を酸化可能な酸化触媒と、前記酸化触媒の排気下流側に設けられて排気中の粒子状物質を捕集可能なフィルタと、前記酸化触媒に炭化水素を供給して前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去する強制再生を実行可能な強制再生手段とを備える排気浄化システムの診断装置であって、
   前記酸化触媒の温度を検出する第１温度検出手段と、
   強制再生終了から次の強制再生開始までの期間において、前記第１温度検出手段から入力される温度の積算時間を所定の設定温度に対する熱履歴時間に換算すると共に、当該熱履歴時間に基づいて前記酸化触媒の劣化度を演算する第１劣化度演算手段と、
   強制再生実行期間に前記第１温度検出手段から入力される温度に基づいて前記酸化触媒内での発熱量を演算すると共に、当該発熱量に基づいて前記酸化触媒の劣化度を演算する第２劣化度演算手段と、
   少なくとも前記第１又は、第２劣化度演算手段から入力される劣化度に基づいて、前記酸化触媒の劣化状態を診断する第１診断手段と、を備える
   ことを特徴とする診断装置。
2. 前記第１劣化度演算手段が、予め設定した前記酸化触媒の反応速度定数に前記熱履歴時間を乗算して得られる発熱量比に基づいて、前記酸化触媒の劣化度を演算する
   請求項１に記載の診断装置。
3. 前記フィルタの温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１及び、第２劣化度演算手段から入力される各劣化度に基づいて、強制再生実行期間に前記酸化触媒を通過する炭化水素のスリップ量を演算するスリップ量演算手段と、
   強制再生実行期間に前記第２温度検出手段から入力される温度及び、前記スリップ量演算手段から入力されるスリップ量に基づいて前記フィルタ内での発熱量を演算すると共に、当該発熱量に基づいて前記フィルタの劣化度を演算する第３劣化度演算手段と、
   前記第３劣化度演算手段から入力される劣化度に基づいて、前記フィルタの劣化状態を診断する第２診断手段と、をさらに備える
   請求項１又は２に記載の診断装置。
4. 外気温度を検出する第３温度検出手段をさらに備え、
   前記第２劣化度演算手段が、前記第３温度検出手段の検出値に基づいて前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を演算すると共に、当該熱損失量を考慮して前記酸化触媒内での発熱量を演算し、
   前記第３劣化度演算手段が、前記第３温度検出手段の検出値に基づいて前記フィルタから外気に放出される熱損失量を演算すると共に、当該熱損失量を考慮して前記フィルタ内での発熱量を演算する
   請求項３に記載の診断装置。

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