JP2017172441A - Ｐｍ捕集フィルタの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】診断をより正確に行うことのできるＰＭ捕集フィルタの故障診断装置を提供する。
【解決手段】検出素子に付着しているＰＭを燃焼除去するための再生処理（Ｓ１００）を行った後、素子温Ｔｐｍが冷却完了温度β以下に低下したとき（Ｓ１０３：ＹＥＳ）以降のＰＭセンサ出力ＳＯの変化を測定し、その測定結果に基づいてＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する（Ｓ１０６〜Ｓ１１２）。再生処理が完了した時点から上記ＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定を開始する時点までの期間における内燃機関のＰＭ排出量ＩＰＭが規定の中止判定値αを超える場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、故障診断を中止する。
【選択図】図６

Description

本発明は、排気中の微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するフィルタの故障の有無を診断するＰＭ捕集フィルタの故障診断装置に関する。

従来、上記のようなＰＭ捕集フィルタの故障診断装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。同文献に記載の故障診断装置は、ＰＭ捕集フィルタの下流に設置されたＰＭセンサを用いて、ＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する。

同文献の故障診断装置では、ＰＭセンサとして、電気抵抗式のセンサを使用している。同センサは、絶縁体の基板上に一対の電極が設けられた検出素子を有し、ＰＭ捕集フィルタを通過した排気にその検出素子が曝される状態となるように設置される。また、同センサには、検出素子を加熱するヒータが内蔵されており、そのヒータの加熱により検出素子に付着したＰＭを燃焼して除去することが可能とされている。

こうした電気抵抗式のＰＭセンサは、上記電極の間に一定の電圧を印加した状態で使用される。カーボンを主成分とするＰＭが検出素子に付着すると、そのＰＭによって電極の間に導通路が形成されて、電極間が導通する。よって、こうしたＰＭセンサにおける検出素子の電極間の電流値は、同検出素子のＰＭ付着量を反映した値となる。

上記従来の故障診断装置では、ヒータの加熱により検出素子に付着したＰＭを燃焼除去する再生処理を行った後のＰＭセンサの出力を測定することでＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断している。ＰＭ捕集フィルタにクラックが入り、そのクラックを通って排気がＰＭ捕集フィルタを素通りするようになると、ＰＭ捕集フィルタを通過して検出素子に到達するＰＭの量が増えるため、検出素子のＰＭ付着の進行が速くなる。よって、再生処理後のＰＭセンサの出力の変化が速いか遅いかにより、ＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断することができる。なお、電気抵抗の温度変化の影響を避けるため、こうした診断のためのＰＭセンサの出力の測定は、再生処理の完了後、検出素子が十分に冷却するのを待って行う必要がある。

特開２０１５−１４０７３３号公報

ところで、検出素子のＰＭ付着量とＰＭセンサの出力との関係は非線形であるため、測定開始時の検出素子のＰＭ付着量に相違があれば、測定開始後のＰＭセンサの出力の変化傾向が変わってしまう。一方、再生処理の完了後、内燃機関の高負荷運転が続いた場合には、周囲の排気の温度が高いため、再生処理後の検出素子の冷却に時間がかかり、測定の開始までに多量のＰＭが検出素子に付着することがある。そうした場合、測定開始後のＰＭセンサの出力が想定と異なる変化傾向を示すため、診断結果が不正確なものとなってしまう。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、診断をより正確に行うことのできるＰＭ捕集フィルタの故障診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するＰＭ捕集フィルタの故障診断装置は、内燃機関の排気通路に設置されて、同排気通路を流れる排気中の微粒子物質を捕集するＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する。また、同故障診断装置は、下記の付着量検出部、ヒータ、素子温度検出部、故障診断部、及び診断中止部を備える。付着量検出部は、ＰＭ捕集フィルタを通過した排気に曝される検出素子を有しており、且つ同検出素子に付着している微粒子物質の量に応じた出力を発生する。ヒータは、そうした付着量測定部の検出素子を加熱し、素子温度検出部は、同検出素子の温度を検出する。

更に、故障診断部は、以下の態様でＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する。まず、上記ヒータによる検出素子の加熱を通じて、同検出素子に付着している微粒子物質を燃焼除去する再生処理を行う。続いて、その再生処理の完了後に、同再生処理により上昇した検出素子の温度が規定の冷却判定温度まで低下したとき以降の付着量検出部の出力変化を測定する。そして、その測定結果に基づいてＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する。

こうした故障診断部による診断では、付着量検出部の出力変化の測定の開始時の検出素子のＰＭ付着量が一定の量を超えると、診断を正確に行えなくなってしまう。ここで、診断に影響が及ばない、測定開始時の検出素子のＰＭ付着量を、上限付着量ということとする。

ＰＭ捕集フィルタの微粒子物質（ＰＭ）の捕集率が、すなわちＰＭ捕集フィルタに流入する排気中のＰＭの量と、ＰＭ捕集フィルタを通過した排気中のＰＭの量との比率が同じであれば、検出素子の周囲に到達するＰＭの量は、内燃機関のＰＭ排出量に比例する。そして、検出素子に付着するＰＭの量は、同検出素子の周囲へのＰＭの到達量に相関する。よって、ＰＭ捕集フィルタのＰＭ捕集率が既知であれば、再生処理の完了から測定の開始までの期間における内燃機関のＰＭ排出量から、測定開始時の検出素子のＰＭ付着量が上限付着量以下か否かを確認することができる。

尤も、ＰＭ捕集フィルタが故障すれば、同フィルタのＰＭ捕集率が大幅に低下するため、故障診断の結果が未確定の状態では、現状のＰＭ捕集率は不明である。ただし、内燃機関の排出したＰＭのすべてがＰＭ捕集フィルタを素通りするとしても、ＰＭ排出量が少なければ、測定開始時の検出素子に上限付着量を超えるＰＭが付着することはない。このように、ＰＭ捕集率が想定される最小の値であっても、測定開始時の検出素子のＰＭ付着量が上限付着量以下となるＰＭ排出量が存在する。よって、再生処理の完了から測定開始までの内燃機関のＰＭ排出量からは、診断開始時の検出素子のＰＭ付着量が、診断に影響するほど多くなっている可能性があるか否かを判断することが可能である。

その点、上記故障診断装置は、再生処理が完了した時点から付着量測定部の出力の測定を開始する時点までの期間における内燃機関の微粒子物質の排出量が規定値を超える場合、故障判定部による故障の有無の診断を中止する診断中止部を備えている。そのため、測定開始時の検出素子のＰＭ付着量が、診断に影響するほど多くなっている可能性がある場合には、故障診断部の故障診断を中止して、測定開始時における検出素子の多量のＰＭ付着による誤診断を回避することが可能となる。したがって、上記ＰＭ捕集フィルタの故障診断装置によれば、診断をより正確に行うことができる。

ＰＭ捕集フィルタの故障診断装置の一実施形態及びその適用対象となる内燃機関の排気系の構成を模式的に示す図。 同実施形態の故障診断装置が備えるＰＭセンサの構成を示す図。 上記ＰＭセンサにおける検出素子のＰＭ付着量とＰＭセンサ出力との関係を示すグラフ。 上記ＰＭセンサの検出素子にＰＭが徐々に付着していった場合、及びＰＭの付着の過程において同検出素子にスーツ塊が付着した場合のそれぞれにおけるセンサ出力の推移を示すタイムチャート。 同故障診断において演算されるＰＭ排出流量ＤＰＭの演算ロジックを示す図。 同実施形態の故障診断装置により実施されるＰＭ捕集フィルタの故障診断の処理手順を示すフローチャート。 検出素子の冷却時間が短い場合の上記実施形態の故障診断態様を示すタイムチャート。 検出素子の冷却時間が長い場合の上記実施形態の故障診断態様を示すタイムチャート。

以下、ＰＭ捕集フィルタの故障診断装置の一実施形態を、図１〜図８を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の故障診断装置が適用される内燃機関１０の排気通路１１には、排気中の微粒子物質（ＰＭ）を捕集するＰＭ捕集フィルタ１２が設けられている。また、排気通路１１におけるＰＭ捕集フィルタ１２よりも下流側の部分には、電気抵抗式のＰＭセンサ１３が設置されている。

内燃機関１０は、電子制御ユニット１４により制御されている。電子制御ユニット１４には、内燃機関１０の各部に設置されたセンサから、エンジン回転数ＮＥ、吸気流量ＧＡ、大気圧ＰＡ、空燃比ＡＦなどの検出信号が入力されている。また、電子制御ユニット１４には、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無を診断する故障診断部１５と、同故障診断部１５の故障の有無の診断を中止する診断中止部１６とが設けられている。

なお、電子制御ユニット１４は、空燃比ＡＦの検出結果に基づき、空燃比ＡＦを目標とする値とすべく、内燃機関１０の燃料供給量をフィードバック制御している。さらに電子制御ユニット１４は、このフィードバック制御の結果に基づき、吸気流量ＧＡの検出誤差や燃料供給系の燃料供給量のばらつき分を空燃比学習値ＫＧとして求め、その空燃比学習値ＫＧを同フィードバック制御に反映することで、同フィードバック制御の制御性を高めている。なお、以下では、こうしたフィードバック制御を通じて内燃機関１０に供給される燃料の流量を燃料流量ＧＦと記載する。

図２に示すように、ＰＭセンサ１３は、プローブ１３ａと、付着量検出回路２６、ヒータ駆動回路２７、及び素子温検出回路２８の３つの回路と、を備える。そして、ＰＭセンサ１３は、プローブ１３ａが排気通路１１内に露出した状態で内燃機関１０に設置されている（図１参照）。

プローブ１３ａは、セラミクスなどの絶縁材料からなる４枚の基板１８〜２１を積層して形成されている。なお、ここでは、各基板１８〜２１にあって、図中の矢印ＵＰで示された側の面を各基板１８〜２１の上面と記載し、矢印ＤＷで示された側の面を各基板１８〜２１の下面と記載する。基板１９の上面には、隙間を空けて互いに組み合わされた一対の櫛歯電極２２，２３が形成されている。基板１９の上面における櫛歯電極２２，２３の形成部分以外の部分は、基板１８により覆われており、同基板１９の上面における櫛歯電極２２，２３の形成部分は、外部に露出している。また、基板１９の下面側に重なるように設けられた基板２０の上面には、通電に応じて発熱する電熱線であるヒータ２４が設けられている。さらに、基板２０の下面側に重なるように設けられた基板２１の上面には、温度により抵抗値が変化するサーミスタ２５が設けられている。なお、このＰＭセンサ１３では、基板１９における櫛歯電極２２，２３の形成部分により、内燃機関１０の運転中にＰＭ捕集フィルタ１２を通過した排気に曝される検出素子１７が形成されている。

付着量検出回路２６は、櫛歯電極２２，２３間に一定の電圧を印加するとともに、その印加中の櫛歯電極２２，２３間の電流値を、検出素子１７に付着しているＰＭの量を示す出力として、電子制御ユニット１４に出力する。なお、以下では、こうした付着量検出回路２６の出力をＰＭセンサ出力ＳＯと記載する。ヒータ駆動回路２７は、電子制御ユニット１４からの指令に基づき、ヒータ２４への通電を行う。素子温検出回路２８は、サーミスタ２５に一定の電圧を印加するとともに、その印加中のサーミスタ２５の電流値を、検出素子１７の温度（以下、素子温Ｔｐｍと記載する）の指標値として電子制御ユニット１４に出力する。なお、本実施形態では、検出素子１７及び付着量検出回路２６が、検出素子１７に付着しているＰＭの量に応じた出力を発生する付着量検出部に相当する構成となっている。また、サーミスタ２５及び素子温検出回路２８が、検出素子１７の温度を検出する素子温検出部に相当する構成となっている。

なお、こうしたＰＭセンサ１３の検出素子１７へのＰＭの付着は主に、帯電と熱泳動と以下の２つのメカニズムにより発生する。
帯電によるＰＭの付着は、次のようにして生じる。櫛歯電極２２，２３に電圧を印加するとイオンが発生し、周囲に存在するＰＭがそのイオンにより帯電する。そして、その帯電したＰＭがクーロン力により櫛歯電極２２，２３に吸い寄せられることで、検出素子１７へのＰＭ付着が発生する。

これに対して、熱泳動によるＰＭの付着は、以下のようにして生じる。検出素子１７の冷却期間における検出素子１７へのＰＭの付着は主に、ＰＭの熱泳動により生じる。温度勾配のある場に微小粒子を置いた場合、この微小粒子が高温側の気体から受ける運動量は、低温側の気体から受ける運動量よりも大きくなる。そのため、微小粒子は、高温側から低温側へ移動する力を受けることになる。こうした温度勾配に起因した微小粒子の移動が、熱泳動である。排気よりも検出素子１７が低温の場合、検出素子１７の周囲の排気中に存在するＰＭは、熱泳動によって、より低温の検出素子１７に吸い寄せられる。そして、その吸い寄せられたＰＭが検出素子１７に付着するようになる。

図３に、検出素子１７に付着しているＰＭの量（ＰＭ付着量）とＰＭセンサ出力ＳＯ（櫛歯電極２２，２３間の電流値）との関係を示す。検出素子１７の櫛歯電極２２，２３の間に排気中のＰＭが付着すると、導電性のカーボンを主成分とする導電性のＰＭによって櫛歯電極２２，２３間に導通路が形成される。そして、櫛歯電極２２，２３間に付着したＰＭの量が増すほど、そうした導通路が数多く形成されるため、櫛歯電極２２，２３間の電気抵抗が低くなる。よって、一定の電圧を印加したときの櫛歯電極２２，２３間の電流値は、すなわちＰＭセンサ出力ＳＯは、検出素子１７のＰＭ付着量が多いほど、大きくなる。ちなみに、検出素子１７のＰＭの付着量がある程度の量に達するまでは、櫛歯電極２２，２３間を繋ぐ導通路を形成するまでには至らない。そのため、同図に示すように、ＰＭ付着量が一定の量Ｘに達するまではＰＭセンサ出力ＳＯは、「０」となる。そして、ＰＭ付着量が一定の量Ｘを超える範囲では、ＰＭ付着量の増加と共にＰＭセンサ出力ＳＯも増大するようになっている。

（故障診断）
続いて、故障診断部１５によるＰＭ捕集フィルタ１２の故障診断の詳細を説明する。故障診断部１５は、内燃機関１０の運転中、診断実施条件が成立したときにＰＭ捕集フィルタ１２の故障診断を実施する。診断実施条件は、下記の条件（イ）〜（ホ）のすべてが成立していること、となっている。

（イ）排気通路１１内が乾燥していること。後述するように、故障診断に際しては、ヒータ２４による検出素子１７の加熱が行われるが、この加熱中に検出素子１７に水滴が付着すると、検出素子１７が割れる虞がある。そのため、故障診断部１５は、排気通路１１内に水滴が存在している可能性があるときには、故障診断を実施しないようにしている。ちなみに、排気通路１１内の乾燥の有無は、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、吸気流量、燃料噴射量など）から推定される排気温から判断される。

（ロ）ＰＭセンサ１３等の診断に使用するセンサが正常に機能していること。
（ハ）検出素子１７の周囲を流れる排気の温度、圧力、及び流速が、ＰＭ付着量の検出精度や、後述するＰＭ排出量ＩＰＭ、故障時推定付着量ＭＡなどの推定精度を確保可能な範囲内にあること。この判断は、内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、吸気流量、燃料噴射量など）に基づいて行われる。

（ニ）ＰＭ捕集フィルタ１２に目詰りが生じていないこと。ＰＭ捕集フィルタ１２にＰＭが過剰に堆積して目詰りが生じると、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障していても、排気中のＰＭがＰＭ捕集フィルタ１２をすり抜け難くなる。そのため、目詰まりが生じた状態で故障診断を行っても、故障を検出できない虞がある。そこで、故障診断部１５は、ＰＭ捕集フィルタ１２に目詰りが生じている場合、故障診断を実施しないようにしている。なお、電子制御ユニット１４は、ＰＭ捕集フィルタ１２に堆積しているＰＭの量（フィルタＰＭ堆積量）を内燃機関１０の運転状態に基づいて推定しており、故障診断部１５は、フィルタＰＭ堆積量の推定値が一定の値を超える場合、ＰＭ捕集フィルタ１２に目詰りが生じていると判断している。

（ホ）内燃機関１０の始動後に故障診断が完了していないこと。すなわち、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障診断は、内燃機関１０の始動毎に１回ずつ実施される。
故障診断部１５による故障診断は、次の態様で行われる。故障診断が開始されると、まずＰＭセンサ１３の検出素子１７に付着しているＰＭを除去するための再生処理が行われる。再生処理では、ヒータ２４による検出素子１７の加熱により、同検出素子１７に付着しているＰＭが燃焼除去される。再生処理に際して故障診断部１５は、ヒータ駆動回路２７に対して、素子温ＴｐｍをＰＭの燃焼に必要な温度以上に高めるために必要な規定の電圧を、検出素子１７に付着しているＰＭを確実に除去可能な規定の時間、ヒータ２４に印加するよう指令する。

そして、再生処理により検出素子１７に付着したＰＭを除去した後、ＰＭセンサ出力ＳＯ（櫛歯電極２２，２３間の電流値）の変化を測定し、その測定結果に基づいてＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無を診断する。検出素子１７の周囲の排気中のＰＭの量が多いほど、同検出素子１７に付着するＰＭの量も多くなる。また、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障して、同ＰＭ捕集フィルタ１２のＰＭ捕集率、すなわちＰＭ捕集フィルタ１２に流入するＰＭの量に対する、ＰＭ捕集フィルタ１２が捕集するＰＭの量の比率が低下すると、検出素子１７の周囲の排気中のＰＭの量が多くなる。したがって、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障している場合には、故障していない場合に比して、再生処理完了後における検出素子１７へのＰＭ付着がより速やかに進行し、ＰＭセンサ出力ＳＯがより速やかに増大するようになる。そのため、再生処理完了後のＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定結果からは、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無を診断することができる。

ちなみに、本実施形態では、故障の有無の判定を以下の態様で行っている。
ＰＭ捕集フィルタ１２をすり抜けて排気通路１１におけるＰＭセンサ１３の設置位置まで到達するＰＭの量は、内燃機関１０が排気通路１１に排出したＰＭの量と、ＰＭ捕集フィルタ１２のＰＭ捕集率とから求めることができる。そして、ＰＭセンサ１３の設置位置に到達したＰＭの量からは、検出素子１７のＰＭ付着量を推定することができる。よって、故障時のＰＭ捕集フィルタ１２のＰＭ捕集率の想定値と内燃機関１０のＰＭ排出量とからは、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障している場合に想定される検出素子１７のＰＭ付着量を求めることができる。

ここで、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障しているとした場合の、上記のような故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定開始後における検出素子１７のＰＭ付着量の想定値を、故障時推定付着量ＭＡとする。故障時推定付着量ＭＡの値は、下記態様で演算される。

故障時推定付着量ＭＡは、上記のような故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定期間における、下記の単位時間当たり付着量ΔＭＡの積算値として演算される。単位時間当たり付着量ΔＭＡは、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障しているとした場合に想定される、検出素子１７の単位時間当たりのＰＭ付着量である。単位時間あたり付着量ΔＭＡの値は、内燃機関１０の単位時間当たりのＰＭ排出量（以下、ＰＭ排出流量ＤＰＭと記載する）に、スリップ係数Ｋ１、流速補正係数Ｋ２、及び熱泳動補正係数Ｋ３を乗算することで演算されている（ΔＭＡ＝ＤＰＭ×Ｋ１×Ｋ２×Ｋ３）。ちなみに、故障時推定付着量ＭＡの値は、故障診断が完了したとき、又は中止されたときに、「０」にリセットされる。

スリップ係数Ｋ１は、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障時におけるＰＭのすり抜け比率を示す。ここでのＰＭのすり抜け比率とは、ＰＭ捕集フィルタ１２へのＰＭの流入量に対する同ＰＭ捕集フィルタ１２からのＰＭの排出量の比率であり、その値は、排気流量とフィルタＰＭ堆積量とに基づき演算されている。排気流量が多いほど、ＰＭ捕集フィルタ１２前後の差圧が大きくなり、ＰＭ捕集フィルタ１２をＰＭがすり抜け易くなる。また、ＰＭの堆積によるＰＭ捕集フィルタ１２の目詰りが進むほど、ＰＭは、ＰＭ捕集フィルタ１２をすり抜け難くなる。そのため、スリップ係数Ｋ１の値は、排気流量が多いほど、大きい値とされ、フィルタＰＭ堆積量が多いほど、小さい値とされる。こうしたスリップ係数Ｋ１をＰＭ排出流量ＤＰＭに乗算した値（＝ＤＰＭ×Ｋ１）は、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障しているとした場合の、ＰＭセンサ１３の設置位置に到達するＰＭの単位時間当たりの量を示す。なお、排気流量は、吸気流量ＧＡと燃料流量ＧＦとから求められている。

また、流速補正係数Ｋ２は、検出素子１７の周囲を流れる排気の流速が、同検出素子１７へのＰＭの付着に与える影響分を補正するための係数であり、その値は、排気流量に基づき演算されている。排気の流速が高いと、ＰＭが検出素子１７の周囲に留まる時間が短くなり、検出素子１７に付着し難くなる。そのため、排気流量が多く、検出素子１７の周囲を流れる排気の流速が高くなるほど、流速補正係数Ｋ２の値は小さくされる。

さらに、熱泳動補正係数Ｋ３は、内燃機関１０の運転状態から推定された排気温と、サーミスタ２５及び素子温検出回路２８により検出された素子温Ｔｐｍとから演算される補正係数である。検出素子１７とその周囲の排気との温度差が大きいと、上述したようなＰＭの熱泳動が活発となり、検出素子１７にＰＭが付着し易くなる。そのため、熱泳動補正係数Ｋ３の値は、排気温に対する素子温Ｔｐｍの差が大きいほど、大きくされる。

ここで、ＰＭセンサ出力ＳＯが規定の故障判定値εになるときの検出素子１７のＰＭ付着量を「Ｒ１」とする（図３参照）。このとき、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障している場合の、故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ１」に到達した時点におけるＰＭセンサ出力ＳＯの想定値は、故障判定値εとなる。

故障診断部１５は、故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定開始後、故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ１」に到達してから、「Ｒ１」よりも大きい値に設定された「Ｒ２」に到達するまでの期間に、ＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε以上となっている場合、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障していると判定している。また、故障診断部１５は、故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ２」に到達した時点のＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε未満である場合、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常に機能していると判定している。なお、「Ｒ２」の値は、故障時のＰＭ捕集フィルタ１２のＰＭ捕集率がそのばらつきの範囲の上限にあるとした場合に、ＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値εに到達する故障時推定付着量ＭＡに、さらに余裕代を加えた値とされている。

ところで、ＰＭは排気通路１１の壁面にも付着し、その付着したＰＭが塊となって剥がれ落ちることがある。そして、その剥がれ落ちたＰＭの塊（以下、スーツ塊と記載する）が検出素子１７に付着することがある。

図４には、排気中のＰＭのみが検出素子１７に付着する場合の上記測定中のＰＭセンサ出力ＳＯの推移が実線で示されている。この場合、検出素子１７のＰＭ付着量は時間と共に徐々に増加していくため、ＰＭセンサ出力ＳＯも時間と共に徐々に増加する。一方、同図には、上記測定中に上記のようなスーツ塊が検出素子１７に付着した場合のＰＭセンサ出力ＳＯの推移が一点鎖線で示されている。検出素子１７の櫛歯電極２２，２３を跨ぐようにスーツ塊が付着すると、そのスーツ塊を通じた導通により、櫛歯電極２２，２３間の電流値が急増する。こうした場合のＰＭセンサ出力ＳＯの変化は、ＰＭ捕集フィルタ１２をすり抜けたＰＭの量を反映しないため、故障診断を正確に行うことができなくなる。そこで、本実施形態の故障診断装置において故障診断部１５は、上記のような故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定期間に、ＰＭセンサ出力ＳＯが急増した場合には、故障診断を中止するようにしている。

なお、ＰＭセンサ１３は、櫛歯電極２２，２３の抵抗値の温度変化のため、再生処理完了直後のような検出素子１７が高温の状態では、ＰＭ付着量を正確に測定できなくなっている。そのため、故障診断部１５は、再生処理の完了後、素子温Ｔｐｍが規定の冷却完了温度β以下に低下するのを待って、上述した故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定を開始するようにしている。なお、冷却完了温度βの値は、検出素子１７のＰＭ付着量を正確に測定可能な素子温Ｔｐｍの範囲（測定可能域）の上限値が設定されている。

通常、こうした検出素子１７の冷却は、比較的短い時間で完了し、その間の検出素子１７へのＰＭ付着は僅かであるため、冷却期間中の検出素子１７のＰＭ付着が故障診断の結果に影響することはない。しかしながら、再生処理の完了後、内燃機関１０の高負荷運転が続き、排気温が高い状態が継続すると、検出素子１７の冷却が遅れてしまい、再生処理完了後、ＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定を開始するまでの時間が長くなる。そうした場合、冷却期間中、検出素子１７に無視し得ない量のＰＭが付着して、故障診断を正確に行えなくなる虞がある。

いずれにせよ、冷却期間が長いほど、またその冷却期間にＰＭセンサ１３の設置位置に到達するＰＭの量が多いほど、冷却期間における検出素子１７のＰＭ付着量は多くなる。ここで、診断に影響が及ばない、測定開始時の検出素子１７のＰＭ付着量の上限値を、上限付着量ということとする。冷却期間における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭが同じでも、ＰＭセンサ１３の設置位置に到達するＰＭの量は、ＰＭ捕集フィルタ１２のＰＭ捕集率により変化する。そのため、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無が未確定な状態では、冷却期間における検出素子１７のＰＭ付着量を正確に知る術はない。

ただし、内燃機関１０が排出したＰＭのすべてがＰＭ捕集フィルタ１２を素通りするとしても、ＰＭ排出量ＩＰＭが少なければ、測定開始時の検出素子１７に付着しているＰＭの量は上限付着量に達することはない。このように、ＰＭ捕集率が想定される最小の値であっても、測定開始時の検出素子１７のＰＭ付着量が上限付着量以下となるＰＭ排出量が存在する。よって、再生処理の完了から測定開始までの内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭからは、診断開始時の検出素子１７のＰＭ付着量が、診断に影響するほど多くなっている可能性があるか否かを判断することが可能である。

本実施形態の故障診断装置において診断中止部１６は、検出素子１７の冷却期間における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭを求めている。そして、診断中止部１６は、冷却期間のＰＭ排出量ＩＰＭが中止判定値α以下である場合にのみ、故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定、及びその測定結果に基づく故障の有無の診断を行い、同冷却期間のＰＭ排出量ＩＰＭが中止判定値αを超える場合には、その時点で故障診断を中止するようにしている。なお、中止判定値αの値には、冷却期間における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭ、すなわち再生処理の完了から測定開始までのＰＭ排出量ＩＰＭであり、上述したような、ＰＭ捕集率が想定される最小の値であっても、測定開始時の検出素子１７のＰＭ付着量が上限付着量以下となる値が設定されている。

続いて、本実施形態でのＰＭ排出量ＩＰＭの演算について説明する。ＰＭ排出量ＩＰＭは、再生処理完了後のＰＭ排出流量ＤＰＭを積算することで求められる。ＰＭ排出流量ＤＰＭは、内燃機関１０が単位時間当たりに排出するＰＭの量である。なお、ＰＭ排出量ＩＰＭの値は、故障診断が完了したとき、又は中止されたときに、「０」にリセットされる。

図５に、ＰＭ排出流量ＤＰＭの演算ロジックを示す。同図に示すように、ＰＭ排出流量ＤＰＭの演算に際しては、ベースＰＭ排出流量ＤＰＭｂｓｅ、ベース空燃比ＡＦｂｓｅ、及び推定空燃比ＡＦＳが求められる。

ベースＰＭ排出流量ＤＰＭｂｓｅは、現状のエンジン回転数ＮＥ、燃料流量ＧＦ、及び大気圧ＰＡのもとで内燃機関１０を定常運転した場合のＰＭ排出流量ＤＰＭの想定値であり、その値は、電子制御ユニット１４に記憶された演算マップＭ１を参照して求められる。演算マップＭ１には、予め実験等で求められたエンジン回転数ＮＥ、燃料流量ＧＦ、及び大気圧ＰＡと、ベースＰＭ排出流量ＤＰＭｂｓｅとの関係が記憶されている。

ベース空燃比ＡＦｂｓｅは、現状のエンジン回転数ＮＥ、燃料流量ＧＦ、大気圧ＰＡのもとで内燃機関１０を定常運転した場合の空燃比の想定値であり、その値は、電子制御ユニット１４に記憶された演算マップＭ２を参照して求められるベース吸気流量ＧＡｂｓｅから算出される。演算マップＭ２には、予め実験等で求められたエンジン回転数ＮＥ、燃料流量ＧＦ、及び大気圧ＰＡと、ベース吸気流量ＧＡｂｓｅとの関係が記憶されている。なお、ベースＰＭ排出流量ＤＰＭｂｓｅは、内燃機関１０で燃焼されている混合気の空燃比がベース空燃比ＡＦｂｓｅであるものとしてその値が求められている。

推定空燃比ＡＦＳは、内燃機関１０の現状の空燃比の推定値であり、その値は、吸気流量ＧＡ、燃料流量ＧＦ、及び空燃比学習値ＫＧから求められる。
さらに、ベース空燃比ＡＦｂｓｅに対する推定空燃比ＡＦＳの比ＲＡＦ（＝ＡＦＳ／ＡＦｂｓｅ）に基づき、過渡補正係数Ｋが求められる。過渡補正係数Ｋは、上記定常運転の場合と現状の運転状態の場合との内燃機関１０のＰＭ排出流量の差分を補正するための係数であり、その値は、電子制御ユニット１４に記憶された演算マップＭ３を参照して求められる。演算マップＭ３には、上記比ＲＡＦと過渡補正係数Ｋとの関係が記憶されている。なお、過渡補正係数Ｋの値は、上記比ＲＡＦが「１」の場合には「１」に設定される。また、混合気が燃料過剰なほど、燃焼により生成されるＰＭの量は多くなるため、過渡補正係数Ｋの値は、上記比ＲＡＦが小さいほど、大きい値となるように設定される。

そして、ベースＰＭ排出流量ＤＰＭｂｓｅに過渡補正係数Ｋを乗算した値に、水温補正、吸気温補正を行うことでＰＭ排出流量ＤＰＭの値が求められる。なお、内燃機関１０の冷却水温ＴＨＷが低い場合、シリンダやピストンへの燃料付着が多くなり、付着した燃料が不完全燃焼してＰＭを生成する。そのため、水温補正では、冷却水温ＴＨＷが低いときには、ＰＭ排出流量ＤＰＭの値を大きくするように同ＰＭ排出流量ＤＰＭの補正が行われる。また、内燃機関１０の吸気温ＴＨＡが低い場合、燃焼温度も低くなって、燃焼時のＰＭ生成量が増える。そのため、吸気温補正では、吸気温ＴＨＡが低いときには、ＰＭ排出流量ＤＰＭの値を大きくするように同ＰＭ排出流量ＤＰＭの補正が行われる。

図６に、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障診断に係る処理の流れを示す。本処理は、内燃機関１０の運転中に、上述した診断実施条件が成立しているときに故障診断部１５及び診断中止部１６により実行される。なお、本処理の実施中に診断実施条件が不成立となった場合、本処理はその時点で中止され、再び診断実施条件が成立したときに、始めからやり直される。ちなみに、本処理におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２の処理は、診断中止部１６が実行し、それ以外のステップの処理は、故障診断部１５が実行する。

故障診断が開始されると、まずステップＳ１００において、検出素子１７に付着しているＰＭを燃焼除去するための再生処理が実施される。再生処理が完了すると、ステップＳ１０２又はステップＳ１０３のいずれかでの判定で肯定判定されるまで、規定時間毎にステップＳ１０１からステップＳ１０３の処理が繰り返される。

ステップＳ１０１では、上述の態様で、再生処理完了後における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭが演算される。そして、続くステップＳ１０２において、演算されたＰＭ排出量ＩＰＭの値が中止判定値αを超えているか否かが判定される。ここで、ＰＭ排出量ＩＰＭが中止判定値α以下の場合（ＮＯ）、ステップＳ１０３に処理が進められる。これに対して、ＰＭ排出量ＩＰＭが中止判定値αを超えている場合（ＹＥＳ）、測定開始時の検出素子１７に、上述の上限付着量を超えるＰＭが付着している状態となる可能性があるとの判断により、今回の故障診断が中止される。

ステップＳ１０３に処理が進められると、そのステップＳ１０３において、素子温Ｔｐｍが規定の冷却完了温度β以下であるか否かが判定される。すなわち、再生処理の完了後、同再生処理により上昇した検出素子１７の温度が規定の冷却完了温度βまで低下したか否かが判定される。ここで、素子温Ｔｐｍが冷却完了温度β以下の場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に処理が進められ、素子温Ｔｐｍが冷却完了温度βを超えている場合（ＮＯ）、上記規定時間後にステップＳ１０１に処理が戻される。

ステップＳ１０４に処理が進められると、ＰＭセンサ出力ＳＯが規定の再生判定値γ以下であるか否かが判定される。ここで、ＰＭセンサ出力ＳＯが再生判定値γ以下であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に処理が進められる。再生処理の完了後には、検出素子１７には殆どＰＭが付着しておらず、ＰＭセンサ出力ＳＯは「０」に近い値となっている筈である。また、再生処理完了後の検出素子１７の冷却が長引き、その間に検出素子１７に一定量以上のＰＭが付着するような場合には、ステップＳ１０２での判定により故障診断が中止される。よって、このときのＰＭセンサ出力ＳＯが、「０」よりも大きい一定の値（再生判定値γ）を超える場合、櫛歯電極２２，２３間に短絡が生じている可能性がある。そこで、ＰＭセンサ出力ＳＯが再生判定値γを超える場合（ＮＯ）、ステップＳ１０５において、ＰＭセンサ１３に異常があると判定された後、今回の故障診断が中止される。なお、このときには、電子制御ユニット１４のメモリに、ＰＭセンサ１３の異常判定がなされた旨の履歴が記録され、フェールセーフ処理が実施される。

ステップＳ１０６に処理が進められると、そのステップＳ１０６において、ＰＭセンサ出力ＳＯが急激に増加しているか否かが判定される。ここで、ＰＭセンサ出力ＳＯが急激に増加していなければ（ＮＯ）、ステップＳ１０７に処理が進められる。一方、ＰＭセンサ出力ＳＯが急激に増加していれば（ＹＥＳ）、検出素子１７へのスーツ塊が付着した可能性があるとの判断により、今回の故障診断が中止される。

ステップＳ１０７に処理が進められると、そのステップＳ１０７において、上述の態様で故障時推定付着量ＭＡの演算が行われる。そして、続くステップＳ１０８において、演算した故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ１」以上であるか否かが判定される。ここで、故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ１」未満である場合（ＮＯ）、上記規定時間後にステップＳ１０６に処理が戻される。

一方、故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ１」以上の場合（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、ステップＳ１０９に処理が進められる。ステップＳ１０９では、ＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε以上であるか否かが判定される。ここでＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε以上の場合（ＹＥＳ）、故障診断部１５は、ステップＳ１１０において、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障していると判定して今回の故障診断を完了する。なお、このときには、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障と判定された旨の履歴が電子制御ユニット１４のメモリに記録され、フェールセーフ処理が実施される。

一方、ＰＭセンサ出力が故障判定値ε未満の場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１１１に処理が進められる。ステップＳ１１１では、故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ２」以上であるか否かが判定される。ここで、故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ２」未満の場合（ＮＯ）、規定時間後にステップＳ１０６に処理が戻される。これに対して、故障時推定付着量ＭＡの値が「Ｒ２」以上の場合（ＹＥＳ）、故障診断部１５は、ステップＳ１１２において、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常に機能していると判定して今回の故障診断を完了する。なお、このときには、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常と判定された旨の履歴が電子制御ユニット１４のメモリに記録される。

続いて、以上のように構成された本実施形態の作用を説明する。
図７は、再生処理後の検出素子１７の冷却時間が短い場合の故障診断の状況を示している。

時刻ｔ１に故障診断が開始されると、その時刻ｔ１から再生処理が開始され、ヒータ２４の加熱により、素子温Ｔｐｍが高められる。時刻ｔ２に再生処理が完了して、ヒータ２４の加熱が停止されると、素子温Ｔｐｍが低下する。ここでは、このときの検出素子１７の冷却は速やかに進んでおり、再生処理が完了した時刻ｔ２から素子温Ｔｐｍが冷却完了温度βまで低下する時刻ｔ３までの冷却期間における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭは、中止判定値α未満に留まる。そのため、故障診断は中止されず、時刻ｔ３より、故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定が開始される。すなわち、この時刻ｔ３から、ＰＭセンサ出力ＳＯに基づく故障時推定付着量ＭＡの演算が開始される。そして、故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ１」に達する時刻ｔ４から同故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ２」に達する時刻ｔ５までの期間（以下、診断期間と記載する）において、ＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε以上となっているか否かにより、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無が診断される。

ＰＭ捕集フィルタ１２が故障していない場合、同図に実線で示すように、時刻ｔ３以降のＰＭセンサ出力ＳＯの増加は比較的緩やかであり、上記診断期間の終了まで、ＰＭセンサ出力ＳＯは故障判定値ε未満に留まっている。そのため、このときの故障診断は、診断期間が終了する時刻ｔ５における、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常に機能しているとの判定をもって完了する。

ＰＭ捕集フィルタ１２が故障している場合、同図に二点鎖線で示すように、時刻ｔ３以降のＰＭセンサ出力ＳＯは、故障していない場合よりも速やかに増加し、診断期間中にＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値εに達している。そのため、この場合の故障診断には、ＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値εに達した時点での、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障しているとの判定をもって完了する。

図８は、再生処理後の検出素子１７の冷却時間が長い場合の故障診断の状況を示している。
この場合にも、時刻ｔ１０に故障診断が開始されると、その時刻ｔ１０から再生処理が開始され、ヒータ２４の加熱により、素子温Ｔｐｍが高められる。時刻ｔ１１に再生処理が完了して、ヒータ２４の加熱が停止されると、素子温Ｔｐｍが低下する。ただし、同図の場合、時刻ｔ１１以降、排気温が冷却完了温度βよりも高い状態がしばらく続いた結果、冷却完了温度βまで素子温Ｔｐｍが低下するまでに、図７の場合より長い時間を要している。

こうした場合、故障診断をそのまま継続すると、このときのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定は、再生処理の完了からしばらく経った時刻ｔ１３から開始されることになり、その時点までに検出素子１７へのＰＭの付着が進行してしまう。そして、測定の開始が遅れた分、故障時推定付着量ＭＡが「Ｒ１」に達する時刻ｔ１４から「Ｒ２」に達する時刻ｔ１６までの診断期間が後ろにずれ込んでしまう。なお、同図には、ＰＭ捕集フィルタ１２が故障していない場合のＰＭセンサ出力ＳＯの推移が二点鎖線で示されている。この場合、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常であるにも拘らず、診断期間が後ろにずれ込んだ結果、同診断期間中の時刻ｔ１５にＰＭセンサ出力ＳＯが故障判定値ε以上となる。そのため、このときには、ＰＭ捕集フィルタ１２が正常に機能しているにも拘らず、故障していると誤判定されてしまう。

その点、本実施形態では、再生処理の完了した時刻ｔ１１から素子温Ｔｐｍが冷却完了温度βとなる時刻ｔ１３までの検出素子１７の冷却期間における内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭが中止判定値α以上に達すると、その時点（同図では時刻ｔ１２）で診断中止部１６により故障診断が中止される。そのため、測定開始時の検出素子１７のＰＭ付着量が、診断に影響するほど多くなっている可能性がある場合には、故障診断部１５の故障診断を中止して、測定開始時における検出素子１７の多量のＰＭ付着による誤診断を回避することが可能となる。したがって、本実施形態の故障診断装置によれば、ＰＭ捕集フィルタ１２の故障の有無の診断をより正確に行うことができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・内燃機関１０のＰＭ排出量ＩＰＭの演算を、上記実施形態と異なるロジックで行うようにしてもよい。

・上記実施形態では、サーミスタ２５及び素子温検出回路２８により素子温Ｔｐｍを実測するようにしていたが、排気温などから素子温Ｔｐｍを推定して求めるようにしてもよい。そうした場合、素子温Ｔｐｍの推定を行う部材が、素子温検出部に対応する。

・上記実施形態では、故障診断のためのＰＭセンサ出力ＳＯの変化の測定中に、同ＰＭセンサ出力ＳＯが急増した場合、すなわち図６のステップＳ１０６において「ＹＥＳ」と判定された場合、検出素子１７にスーツ塊が付着した可能性があるとして、故障診断を中止するようにしていた。検出素子１７を保護するネットなどがＰＭセンサ１３に設けられているなど、検出素子１７へのスーツ塊の付着を考慮しなくてもよい場合には、図６のステップＳ１０６の処理を省略してもよい。

１０…内燃機関、１１…排気通路、１２…ＰＭ捕集フィルタ、１３…ＰＭセンサ、１４…電子制御ユニット、１５…故障診断部、１６…診断中止部、１７…検出素子（付着量検出部）、２２，２３…櫛歯電極、２４…ヒータ、２５…サーミスタ（素子温検出部）、２６…付着量検出回路（付着量検出部）、２７…ヒータ駆動回路、２８…素子温検出回路（素子温検出部）。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設置されて、同排気通路を流れる排気中の微粒子物質を捕集するＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断するＰＭ捕集フィルタの故障診断装置において、
   前記ＰＭ捕集フィルタを通過した排気に曝される検出素子を有しており、且つ同検出素子に付着している微粒子物質の量に応じた出力を発生する付着量検出部と、
   前記検出素子を加熱するヒータと、
   前記検出素子の温度を検出する素子温検出部と、
   前記ヒータによる前記検出素子の加熱を通じて、前記検出素子に付着している微粒子物質を燃焼除去する再生処理を行った後、同再生処理により上昇した前記検出素子の温度が規定の冷却完了温度まで低下したとき以降の前記付着量検出部の出力変化を測定し、その測定結果に基づいて前記ＰＭ捕集フィルタの故障の有無を診断する故障診断部と、
   前記再生処理が完了した時点から前記測定を開始する時点までの期間における前記内燃機関の微粒子物質の排出量が規定値を超える場合、前記故障診断部の前記故障の有無の診断を中止する診断中止部と、
   を備えることを特徴とするＰＭ捕集フィルタの故障診断装置。

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