JP2016098795A - 診断装置及びセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＰＭセンサの機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストな診断装置及びセンサを提供する。
【解決手段】内燃機関１００の排気通路１１０に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサ１０の診断装置であって、内燃機関１００の燃料噴射量が予め設定した噴射量閾値以下である期間に、センサ１０が検出した粒子状物質量の時間変化率を求める時間変化率演算部２と、時間変化率演算部２が求めた粒子状物質量の時間変化率を基に、センサ１０の異常を判定する異常判定部３と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、診断装置及びセンサに関し、特に、排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサの診断装置及びＰＭセンサに関するものである。
従来、内燃機関から排出される排気中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。
また、電気抵抗型ＰＭセンサの故障診断装置として、二個のＰＭセンサの再生時間を互いに比較し、これらセンサの再生時間の差が所定値よりも大きい場合に故障と判定するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１２−８３２１０号公報 特開２００９−１４４５１２号公報
しかしながら、特許文献２の装置では、略同じ位置に二個のＰＭセンサを設ける必要があるため、無駄が多く高コストであるという問題がある。
また、特許文献２の装置では、センサ再生を行わなければ診断を行うことができないため、センサ再生の頻度が低い場合には、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化等を早期に検知できない可能性がある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＰＭセンサの機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストな診断装置及びセンサを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサの診断装置であって、前記内燃機関の燃料噴射量が予め設定した噴射量閾値以下である期間に、前記センサが検出した粒子状物質量の時間変化率を求める時間変化率演算部と、前記時間変化率演算部が求めた前記粒子状物質量の時間変化率を基に、前記センサの異常を判定する異常判定部と、を備えた診断装置である。
本発明によれば、ＰＭセンサの機能失陥、機能劣化を早期に検知可能な低コストな診断装置及びセンサを提供できる。
（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジンの排気系の一例を示す概略構成図であり、（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。 本発明の診断装置の原理を説明する図である。 （Ａ）は、本発明の一変形例に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、そのＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。 本発明の一変形例に係るＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の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、それらの名称及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（Ａ）は、本実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の排気系の一例を示す概略構成図であり、図１（Ｂ）は電子制御ユニットの機能ブロック図である。
図１（Ａ）に示すように、エンジン１００の排気通路（排気管）１１０内には、排気上流側から順に酸化触媒２１０、パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０等が設けられている。本実施形態の診断装置は、ＰＭセンサ１０をＤＰＦ２２０よりも上流側の排気通路１１０に配置して構成されている。なお、ＰＭセンサ１０の個数は限定されず、二個以上であってもよい。また、ＰＭセンサ１０の配置位置は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気通路１１０であってもよい。
次に、ＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。
図２に示すように、ＰＭセンサ１０は、排気通路１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気通路１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、を備えている。
ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気通路１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気通路１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。
ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ12は、導出口１３の総開口面積Ｓ13よりも小さく形成されている（Ｓ12＜Ｓ13）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ12が導出口１３付近の排気流速Ｖ13よりも遅くなることで（Ｖ12＜Ｖ13）、導入口１２側の圧力Ｐ12は導出口１３側の圧力Ｐ13よりも高くなる（Ｐ12＞Ｐ13）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気通路１１０内に円滑に導出される。
台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気通路１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。
センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。
フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数の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。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。
電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵという）４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。
電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるフィルタ再生（以下、センサ再生ともいう）を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。
また、図１（Ｂ）に示すように、ＰＭセンサ１０は、センサ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、を備えている。センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２は、ＥＣＵ４０に搭載されている。なお、センサ再生制御部４１とＰＭ量推定演算部４２は、ＥＣＵ４０と別体に構成されたハードウェアユニットに搭載されていてもよい。
センサ再生制御部４１は、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の表面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
Figure 2016098795
数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。
センサ再生制御部４１は、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１のＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値ＣP_maxに達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするセンサ再生を開始する（図３参照）。このセンサ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値ＣP_minに低下するまで継続される。
ＰＭ量推定演算部４２は、本発明の推定手段の一例であって、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐを求めると共に、測定対象となる期間における静電容量変化量ΔＣｐnに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍPM_sumを推定する。
任意の期間Ｔn間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍPM_nは、静電容量変化量ΔＣｐnに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。
Figure 2016098795
ＰＭ量推定演算部４２は、数式２から算出される期間ＴnのＰＭ量ｍPM_nを順次積算する以下の数式３に基づいて、ＰＭセンサ１０のフィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍPM_sumをリアルタイムに演算する。
Figure 2016098795
さて、ＰＭセンサ１０は、本実施形態に係る診断装置１をさらに備えている。
診断装置１は、時間変化率演算部２と、異常判定部３と、を備えている。
時間変化率演算部２と異常判定部３は、車両のＥＣＵ４０に搭載されている。なお、時間変化率演算部２と異常判定部３は、ＥＣＵ４０と別体に構成されたハードウェアユニットに搭載されていてもよい。
時間変化率演算部２は、内燃機関であるエンジン１００の燃料噴射量が予め設定した噴射量閾値以下である期間において、ＰＭセンサ１０が検出したＰＭ量の時間変化率を求めるものである。なお、燃料噴射量は、ＥＣＵ４０にてエンジン制御等に使用されているので、ＥＣＵ４０にて用いられている燃料噴射量を取得して演算に用いるように時間変化率演算部２を構成すればよい。
噴射量閾値はエンジン１００からＰＭが殆ど発生しない小さい値に設定されるとよい。ここでは、噴射量閾値を０とし、燃料噴射量が０となる燃料カット時に、ＰＭセンサ１０が検出したＰＭ量の時間変化率を求めるように時間変化率演算部２を構成した。
異常判定部３は、時間変化率演算部２が求めたＰＭ量の時間変化率を基に、ＰＭセンサ１０の異常を判定するものである。
図３に示すように、燃料噴射量が噴射量閾値以下である期間（ここでは燃料噴射量が０となる燃料カット時）Ｄには、エンジン１００から殆どＰＭが排出されないので、ＰＭセンサ１０が正常に稼働している場合、この期間Ｄには静電容量Ｃｐは殆ど変化せず、ＰＭ量の時間変化率も略０とならなければならない。そのため、期間ＤにＰＭ量の時間変化率が大きくなる場合、ＰＭセンサ１０に何らかの異常が発生していると考えられる。
ここで、ＰＭ量とは、測定時点でフィルタ部材３１で捕集されているＰＭの量であり、前回のセンサ再生以降の総ＰＭ量ｍPM_sumを用いることができる。総ＰＭ量ｍPM_sumの変化量は、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐの変化量に依存するため、本実施形態では、演算の簡略化のため、静電容量Ｃｐの時間変化率（ｄＣｐ／ｄｔ）を、ＰＭ量の時間変化率を表す指標として用いることとした。
すなわち、本実施形態では、時間変化率演算部２は、燃料カット時の静電容量Ｃｐの時間変化率（ｄＣｐ／ｄｔ）を求めるように構成され、異常判定部３は、静電容量Ｃｐの時間変化率（ｄＣｐ／ｄｔ）を基に、ＰＭセンサ１０の異常を判定するように構成されている。
さらに、静電容量Ｃｐは排気ガスの温度により変化するので、排気ガスの温度で実測した静電容量Ｃｐを補正することで、判定精度をより高めることが可能になる。
本実施形態では、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段（不図示）をさらに備え、静電容量Ｃｐの時間変化率（ｄＣｐ／ｄｔ）を、排気ガス検出手段が検出した排気ガスの温度Ｔで補正した値、すなわち以下の式で表される値Ａ
Ａ＝（ｄＣｐ／ｄｔ）×ｆ（Ｔ）
但し、ｆ（Ｔ）：排気ガスの温度Ｔによる補正係数
と、予め設定した変化率閾値とを比較することで、ＰＭセンサ１０の異常を判定するように異常判定部３を構成した。
より具体的には、異常判定部３は、上述の値Ａが変化率閾値より大きい場合には、ＰＭセンサ１０が異常であると判定し、値Ａが変化率閾値以下である場合には、ＰＭセンサ１０が異常でないと判定するように構成される。補正係数ｆ（Ｔ）は、例えば、排気ガスの温度Ｔで参照される補正係数マップを予めＥＣＵ４０に搭載しておき、当該補正係数マップを参照することで求めるようにすればよい。
また、排気ガスの温度は、排気通路１１０に設けられた温度センサ（不図示）により測定されＤＰＦ２２０の再生制御等に用いられているため、この温度センサを排気ガス温度検出手段として用いればよい。
本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態に係る診断装置１では、内燃機関であるエンジン１００の燃料噴射量が予め設定した噴射量閾値以下である期間に、ＰＭセンサ１０が検出したＰＭ量の時間変化率を求める時間変化率演算部２と、時間変化率演算部２が求めたＰＭ量の時間変化率を基に、ＰＭセンサ１０の異常を判定する異常判定部３と、を備えている。
二個の電気抵抗型ＰＭセンサの出力値を互いに比較する従来技術では、略同じ場所に同じＰＭセンサを二個設ける必要があるために高コストであり、また、センサ再生の頻度が低い場合には、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化等を早期に検知できない可能性があった。
これに対して、本実施形態に係る診断装置１では、燃料噴射量が小さい期間（好ましくは燃料カット時）にＰＭが殆ど発生しないことを利用して、この期間におけるＰＭ量の時間変化率が大きい場合に、ＰＭセンサ１０が異常であると判定するように構成している。
そのため、ＰＭセンサ１０の診断のために同じ場所に複数のＰＭセンサ１０を設ける必要がなく低コストであり、また、減速時や下り坂の走行時、あるいは惰性で走行している際など、燃料噴射量が小さくなる度にＰＭセンサ１０の異常判定を行うことが可能になり、従来と比較してＰＭセンサ１０の異常判定の頻度を高めて、ＰＭセンサ１０の機能失陥や機能劣化等を早期に検知することが可能になる。
また、本実施形態に係るＰＭセンサ１０は、排気通路１１０に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極３２，３３を設け、一対の電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいて排気中のＰＭ量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサからなる。
電極間の電気抵抗値に基づいてＰＭ量を推定する電気抵抗型ＰＭセンサでは、各電極がＰＭによって互いに繋がるまでの期間は電気抵抗値が変化を示さないため、排気ガス中のＰＭ量をリアルタイムに推定できない課題がある。
これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０は、感度の良好な電極３２，３３間の静電容量変化量に基づいてＰＭ量を推定し、推定したＰＭ量を順次積算することで、排気ガス中のＰＭ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ＰＭセンサ１０によれば、エンジン１００から排出される排気ガス中のＰＭ量を高精度且つリアルタイムに推定することができる。
また、各電極にＰＭを付着させる電気抵抗型ＰＭセンサでは、例えば、排気流量が多くなる運転状態でＰＭの一部が電極から離脱する可能性があり、ＰＭ量の推定精度を担保できない課題がある。これに対し、本実施形態のＰＭセンサ１０は、排気ガス中のＰＭをフィルタ部材３１で確実に捕集するように構成されている。したがって、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、排気流量が多くなる運転状態においてもＰＭ量の推定精度を効果的に確保することができる。
また、本実施形態のＰＭセンサ１０では、センサ部３０を収容したケース部材１１を、その先端部を排気通路１１０内で排気流速が最も速い軸中心ＣＬ近傍まで突出させている。このケース部材１１の先端側筒壁部には、ケース部材１１内に排気ガスを取り込む導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、導入口１２よりも開口面積を大きく形成した導出口１３が設けられている。すなわち、本実施形態のＰＭセンサ１０によれば、導入口１２を排気流速が速い排気通路１１０の軸中心ＣＬ近傍に配置し、導出口１３の開口面積を大きくしたことで、導入口１２と導出口１３との静圧差を大きく確保することが可能となり、センサ部３０を通過する排気ガスの流れを効果的に促進させることができる。
本発明は上記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種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、ＰＭセンサ１０の具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、積層タイプのセンサ部６０を用いるようにしてもよい。
センサ部６０は、上流側と下流側とを交互に目封止したセルを一方向に並列に配置した直方体状の複数のフィルタ層６１と、平板状の導電性部材からなる複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備え、第１及び第２電極板６２，６３をフィルタ層６１を挟んで交互に積層して構成される。第１及び第２電極板６２，６３は、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法がフィルタ層６１と略同一に形成されている。
第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させることで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。
なお、セルに堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
また、図５に示すように、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。
１ 診断装置
２ 時間変化率演算部
３ 異常判定部
１０ ＰＭセンサ（センサ）
４０ ＥＣＵ
４１ センサ再生制御部
４２ ＰＭ量推定演算部
１００ エンジン（内燃機関）
１１０ 排気通路

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサの診断装置であって、
    前記内燃機関の燃料噴射量が予め設定した噴射量閾値以下である期間に、前記センサが検出した粒子状物質量の時間変化率を求める時間変化率演算部と、
    前記時間変化率演算部が求めた前記粒子状物質量の時間変化率を基に、前記センサの異常を判定する異常判定部と、
    を備えたことを特徴とする診断装置。
  2. 前記センサは、前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極を設け、前記一対の電極間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する推定手段を備えた静電容量式のセンサであり、
    前記時間変化率演算部と前記異常判定部は、前記粒子状物質量の時間変化率として、前記一対の電極間の静電容量の時間変化率を用いるように構成される
    請求項１記載の診断装置。
  3. 排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段を備え、
    前記異常判定部は、前記一対の電極間の静電容量の時間変化率を、前記排気ガス検出手段が検出した排気ガスの温度で補正した値と、予め設定した変化率閾値とを比較することで、前記センサの異常を判定するように構成される
    請求項２記載の診断装置。
  4. 前記噴射量閾値が０であり、
    前記時間変化率演算部は、燃料噴射量が０となる燃料カット時に、前記センサが検出した粒子状物質量の時間変化率を求めるように構成される
    請求項１〜３いずれかに記載の診断装置。
  5. 内燃機関の排気通路に配置されて排気中に含まれる粒子状物質量を検出するセンサであって、
    請求項１〜４いずれかに記載の診断装置を備えた
    ことを特徴とするセンサ。
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