JP2020051405A - 内燃機関の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多様なモードの異常を検出する。【解決手段】排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ２３を備えた内燃機関１の診断装置１００が提供される。診断装置は、フィルタの前後差圧に基づいてフィルタの第１捕集量を検出し、内燃機関の運転状態に基づいてフィルタの第２捕集量を推定する。他方、診断装置は、第２捕集量に対する第１捕集量の関係を規定する特性値が入力されたマップを予め記憶し、検出および推定した実際の第１捕集量および第２捕集量に基づき、マップを使用して異常の有無を診断するように構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は内燃機関の診断装置に係り、特に、排気ガス中の粒子状物質（以下ＰＭともいう）に関する異常を診断可能な診断装置に関する。

例えば車両用ディーゼルエンジンにおいて、排気ガス中のＰＭを捕集するフィルタを備えたものがある。一方、エンジンの故障等によりエンジンの燃焼室からのＰＭ排出量が過多となる異常が発生した場合に、その異常をオンボードで検出するため、診断装置が車両に搭載される。

特開２０１０−１５６２４１号公報 特開２０１１−２０２５７３号公報 特開２０１６−１５６３５７号公報 特開２０１７−２０４０５号公報

しかし、ＰＭに関する異常には、燃焼室からのＰＭ排出量過多の他、様々なモードないし種類がある。従来はフィルタの前後差圧に基づいて異常を検出する手法が採用されているが、これだけでは多様なモードの異常を検出することができない。

そこで本開示は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、多様なモードの異常を検出することが可能な内燃機関の診断装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の診断装置であって、
前記フィルタの前後差圧に基づいて前記フィルタの第１捕集量を検出し、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記フィルタの第２捕集量を推定し、
前記第２捕集量に対する前記第１捕集量の関係を規定する特性値が入力されたマップを予め記憶し、
検出および推定した実際の前記第１捕集量および前記第２捕集量に基づき、前記マップを使用して異常の有無を診断するように構成されている
ことを特徴とする内燃機関の診断装置が提供される。

好ましくは、前記特性値は、前記第２捕集量が増大するほど増大する傾向にあり、前記特性値の変化率は、前記第２捕集量が増大するほど減少する傾向にある。

好ましくは、前記マップに、前記第２捕集量の大きさに応じて区分された複数の領域が設定され、前記領域毎に、前記特性値と、前記特性値を基準とした前記第１捕集量の正常範囲と、前記特性値の変化率を基準とした前記変化率の正常範囲とが設定され、
前記診断装置は、
前記第１捕集量の実際の変化率を算出し、
実際の前記第１捕集量が正常範囲内にあるか否か、および、実際の前記変化率が正常範囲内にあるか否かにより、異常の有無を診断する。

好ましくは、前記診断装置は、前記フィルタの再生終了時点で検出された実際の前記第１捕集量が前記正常範囲より大きい値であるとき、前記フィルタ内にアッシュが過剰蓄積している第１モードの異常と診断する。

好ましくは、前記診断装置は、実際の前記変化率が前記変化率の正常範囲より大きい値であるとき、前記内燃機関の燃焼室からの粒子状物質排出量が過多である第２モードの異常と診断する。

本開示によれば、多様なモードの異常を検出することが可能となる。

内燃機関の構成を示す概略図である。 捕集量マップを示す図である。 他のマップを示す図である。 多様な異常モードを示す図である。 診断処理ルーチンのフローチャートである。 変形例に係る異常モードを示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。但し本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１は、本実施形態の診断装置が適用された内燃機関を示す。内燃機関（エンジンともいう）１は、車両（図示せず）に搭載された多気筒エンジンである。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタである。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出するためのセンサであり、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に接続された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気通路４には、上流側から順に、酸化触媒２２、フィルタ２３、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。これらは排気後処理を実行する後処理部材をなす。フィルタ２３とＮＯｘ触媒２４の間の排気通路４には、還元剤としての尿素水を排気通路４内に噴射する還元剤噴射弁としての尿素インジェクタ２５が設けられる。

酸化触媒２２は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温する。フィルタ２３は、所謂連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタであり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭともいう）を捕集すると共に、その捕集したＰＭを貴金属と反応させて連続的に燃焼除去する。フィルタ２３には、ハニカム構造の基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのものが用いられる。

ＮＯｘ触媒２４は、尿素インジェクタ２５から噴射された尿素水を加水分解して得られるアンモニアを、排気中のＮＯｘと反応させて、ＮＯｘを還元浄化する。ＮＯｘ触媒２４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ₂Ｏ₅／ＷＯ₃／ＴｉＯ₂）を担持させたもの等が例示できる。アンモニア酸化触媒２６は、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。ＥＧＲ装置３０は外部ＥＧＲを実行するためのものである。

また、本実施形態は、それぞれ排気通路４に設けられた電子制御式の排気スロットルバルブ３７と、排気インジェクタ３８とを備える。本実施形態において、これらはタービン１４Ｔと酸化触媒２２の間の排気通路４に設けられ、排気スロットルバルブ３７より下流側に排気インジェクタ３８が配置される。但しこれらの設置位置は変更可能である。排気スロットルバルブ３７は排気流量を調節するためのバルブである。排気インジェクタ３８は、主にフィルタ２３の再生時に排気通路４内に燃料を噴射するためのインジェクタである。

このエンジン１を制御するための制御装置が車両に搭載されている。制御装置は、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラをなす電子制御ユニット（ＥＣＵと称す）１００を有する。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、筒内インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、尿素インジェクタ２５、ＥＧＲ弁３３、排気スロットルバルブ３７および排気インジェクタ３８を制御するように構成され、プログラムされている。なお特に断らない限り、吸気スロットルバルブ１６および排気スロットルバルブ３７は全開に制御されているものとする。制御装置は、特許請求の範囲にいう診断装置を構成する。

また制御装置は、以下のセンサ類、すなわち上述のエアフローメータ１３と、エンジンの回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１とを有する。また制御装置は、フィルタ２３の前後差圧、すなわちフィルタ２３の入口および出口間の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５を有する。以上のセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

ＥＣＵ１００は、各センサの出力信号に基づいて、ＰＭに関するエンジン１の様々な異常を診断するように構成されている。以下、この診断の内容について詳述する。

ＥＣＵ１００は、差圧センサ４５により検出されたフィルタ２３の前後差圧ΔＰに基づいて、フィルタ２３の第１のＰＭ捕集量である第１捕集量Ｍを検出する。またＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に基づいて、フィルタ２３の第２のＰＭ捕集量である第２捕集量Ｔを推定する。

他方、ＥＣＵ１００は、図２に示すようなマップ（捕集量マップという）を予め記憶している。捕集量マップは、実機試験等を通じて予め作製されたものである。捕集量マップには、第２捕集量Ｔに対する第１捕集量Ｍの関係を規定する特性値Ｘが予め入力されている。ＥＣＵ１００は、検出および推定した実際の第１捕集量Ｍおよび第２捕集量Ｔに基づき、捕集量マップを使用して異常の有無を診断するように構成されている。

第１捕集量Ｍの検出に関し、ＥＣＵ１００は、差圧センサ４５により検出された実際の差圧ΔＰに対応した第１捕集量Ｍを、図３（Ａ）に示すような第１捕集量マップから算出する。第１捕集量マップも予め実機試験等を通じて作製され、ＥＣＵ１００に記憶されたもので、この点は後述する各マップについても同様である。差圧ΔＰが増大する程、第１捕集量Ｍは増大する傾向がある。

代替的に、第１捕集量Ｍは、所定のモデル式または関数を用いて算出してもよい。また差圧ΔＰに加え、他のパラメータにも基づいて第１捕集量Ｍを算出してもよい。他のパラメータとしては、例えば、フィルタ２３に流入する排気ガスの温度、これに基づいて推定されるフィルタ２３の内部温度、フィルタ２３の内部温度以外の状態量、排気ガスのＮＯｘ濃度等のうちの少なくとも一つを用いることができる。

他方、第２捕集量Ｔの推定に関し、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態を表すパラメータ、具体的にはエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃに基づき、演算周期τ毎の第２捕集量Ｔの瞬時値Ｓを計算し、この瞬時値Ｓを演算周期τ毎に積算して第２捕集量Ｔを算出する。

より詳細には、ＥＣＵ１００は、回転速度センサ４０およびアクセル開度センサ４１によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃに基づき、図３（Ｂ）に示すような燃料噴射量マップに従って、燃料噴射量、特にインジェクタ７への指示噴射量としての目標燃料噴射量Ｑを算出する。目標燃料噴射量Ｑは、エンジン負荷を表す負荷パラメータであり、この負荷パラメータについては目標燃料噴射量Ｑ以外にもアクセル開度Ａｃ等の他のパラメータを採用できる。

次にＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑに基づき、図３（Ｃ）に示すような瞬時値マップに従って、第２捕集量Ｔの瞬時値Ｓを算出する。そしてこの瞬時値Ｓを、１演算周期前の第２捕集量Ｔの前回値に加算し、第２捕集量Ｔの今回値を算出する。今回値をｎ、前回値ｎ−１で表すと、第２捕集量Ｔの今回値Ｔ_nは式：Ｔ_n＝Ｓ_n＋Ｔ_n-1＝ΣＳｉ（ｉ＝１，２，・・・ｎ）で表される。こうして算出された第２捕集量Ｔの今回値Ｔ_nが第２捕集量Ｔの推定値である。

エンジン回転数Ｎｅが高い程、また目標燃料噴射量Ｑが多い程、瞬時値Ｓは増大する傾向があり、従って第２捕集量Ｔも増大する傾向がある。このように第２捕集量Ｔが、エンジンの回転数および負荷といった運転履歴を反映した値であるので、単にエンジンの運転時間等から推定する場合に比べ、フィルタのＰＭ捕集量を精度良く推定できる利点がある。

なお、第２捕集量Ｔを他のパラメータに基づいて補正してもよい。この場合、他のパラメータとしては、例えば、フィルタ２３に流入する排気ガスの温度、これに基づいて推定されるフィルタ２３の内部温度、フィルタ２３の内部温度以外の状態量、排気ガスのＮＯｘ濃度等のうちの少なくとも一つを用いることができる。

図２に示すように、捕集量マップでは、横軸を第２捕集量Ｔ、縦軸を第１捕集量Ｍとし、第２捕集量Ｔに対する第１捕集量Ｍの関係が特性値Ｘにより規定されている。特性値Ｘは概して、第２捕集量Ｔが増大するほど増大する傾向にある。但し、第２捕集量Ｔに対する特性値Ｘの変化率ＫＨ、すなわち傾きは、第２捕集量Ｔが増大するにつれ減少する傾向にある。なお変化率ＫＨは、第２捕集量Ｔが所定の単位量だけ増加したときの特性値Ｘの増加量を意味する。

第２捕集量Ｔおよび特性値Ｘは最小値Ｔ０から最大値Ｔ４までの範囲を有し、第１捕集量Ｍは最小値Ｍ０から最大値Ｍ４までの範囲を有する。実際の第２捕集量Ｔが最大値Ｔ４に達するか、または実際の第１捕集量Ｍが最大値Ｍ４に達したとき、フィルタ２３に許容限度までＰＭが堆積したとみなし、堆積ＰＭを燃焼除去する周知のフィルタ再生がＥＣＵ１００により実行される。このとき、排気インジェクタ３８から燃料が噴射されると共に、噴射燃料が酸化触媒２２により酸化燃焼され、高温の排気ガスがフィルタ２３に供給される。そしてフィルタ再生の終了と同時に、第２捕集量Ｔが最小値Ｔ０にリセットされる。本実施形態の場合、最小値Ｔ０はゼロであるが、ゼロ近傍の所定値としてもよい。第２捕集量Ｔが最小値Ｔ０のとき、特性値Ｘは初期値Ｘ０（＞Ｍ０）となる。なおフィルタ再生時に排気インジェクタ３８から燃料を噴射する代わりに、筒内インジェクタからポスト噴射を行ってもよい。

エンジンが正常もしくは健全である場合、基本的には、実際の第２捕集量Ｔが増大するにつれ、実際の第１捕集量Ｍは特性値Ｘ付近でこれに沿って増大する。従って捕集量マップでは、特性値Ｘを基準とした第１捕集量Ｍの正常範囲が設定され、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲から外れたときに異常と診断するようにしている。本実施形態の場合、正常範囲は、特性値Ｘに対し＋側と−側に所定値α（＞０）ずつずれた上限値ＸＨおよび下限値ＸＬの間の範囲（ＸＬ≦Ｍ≦ＸＨ）である。なお本実施形態では、特性値Ｘに対し＋側と−側に等しくずれた上限値ＸＨおよび下限値ＸＬを設定しているが、＋側と−側のずれ量を異ならせてもよい。

ところで、特性値Ｘの変化率ＫＸは、第２捕集量Ｔが増加して各値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に到達する度に段階的に減少する。すなわち、第２捕集量Ｔの各値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の位置には特性値Ｘの変曲点が存在する。そこでこの特性に合わせ、本実施形態では、第２捕集量Ｔの全範囲が、変曲点がある各値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の位置を境界として、計４つの領域ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４に区分されている。そして領域毎に、特性値Ｘと、第１捕集量Ｍの正常範囲ＸＬ〜ＸＨと、変化率Ｋの正常範囲とが設定されている。

ここで変化率Ｋの正常範囲とは、第１捕集量Ｍの正常範囲ＸＬ〜ＸＨと同様の考え方で、特性値Ｘの変化率ＫＸを基準に設定された正常とみなせる範囲である。本実施形態の場合、変化率Ｋの正常範囲は、特性値Ｘの変化率ＫＸに対し＋側と−側に所定値β（＞０）ずつずれた上限値ＫＸＨおよび下限値ＫＸＬの間の範囲（ＫＸＬ≦Ｋ≦ＫＸＨ）である。なお本実施形態では、特性値変化率ＫＸに対し＋側と−側に等しくずれた上限値ＫＸＨおよび下限値ＫＸＬを設定しているが、＋側と−側のずれ量を異ならせてもよい。

エンジンが正常もしくは健全である場合、基本的には、第１捕集量Ｍの実際の変化率Ｋは、特性値Ｘの変化率ＫＸに近い値である。従って本実施形態では、実際の変化率Ｋが正常範囲から外れたときに異常と診断するようにしている。

領域ＴＡ１は、Ｔ０≦Ｔ＜Ｔ１の範囲内の領域であり、この領域ＴＡ１内では第２捕集量Ｔが増大するにつれ、特性値ＸはＸ０からＭ１まで変化する。特性値Ｘの変化率はＫＸ１で、全領域内で最も大きい。

領域ＴＡ２は、Ｔ１≦Ｔ＜Ｔ２の範囲内の領域であり、この領域ＴＡ２内では第２捕集量Ｔが増大するにつれ、特性値ＸはＭ１からＭ２まで変化する。特性値Ｘの変化率はＫＸ２で、変化率ＫＸ１より僅かに小さい値である。

領域ＴＡ３は、Ｔ２≦Ｔ＜Ｔ３の範囲内の領域であり、この領域ＴＡ３内では第２捕集量Ｔが増大するにつれ、特性値ＸはＭ２からＭ３まで変化する。特性値Ｘの変化率はＫＸ３で、変化率ＫＸ２より僅かに小さい値である。

領域ＴＡ４は、Ｔ３≦Ｔ＜Ｔ４の範囲内の領域であり、この領域ＴＡ４内では第２捕集量Ｔが増大するにつれ、特性値ＸはＭ３からＭ４まで変化する。特性値Ｘの変化率はＫＸ４で、変化率ＫＸ３より小さく、全領域内で最も小さい値である。

各領域内で、特性値Ｘは直線状に変化する。但しこれに限らず、特性値Ｘは曲線状に変化してもよい。

第１捕集量Ｍの正常範囲の上限値ＸＨおよび下限値ＸＬは、特性値Ｘに対し一定値αだけずれた値に設定されている。しかしながら、第２捕集量Ｔが増大するほど第１捕集量Ｍの値が増大することから、第１捕集量Ｍの正常範囲の上限値ＸＨおよび下限値ＸＬを、特性値Ｘに対しその一定割合α’（％）だけずれた値に設定してもよい。こうすると、第２捕集量Ｔが増大するほど、上限値ＸＨおよび下限値ＸＬは特性値Ｘから大きくずれることとなり、第１捕集量Ｍの増大特性を加味して第１捕集量Ｍの正常範囲を設定することが可能となる。

こうして図２に示すように、ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４の各領域毎に、縦軸に平行な２本の直線と上限値ＸＨおよび下限値ＸＬの線とで囲まれた菱形の正常範囲が形成される。

ここで、第２捕集量Ｔの増大につれ特性値Ｘの変化率ＫＸが減少する傾向にある理由を説明する。フィルタ２３の基材もしくは担体はコージェライト、ＳｉＣ等の多孔質材料でできており、排気ガスを通すがＰＭを通さない無数の細孔を含んでいる。担体により形成されたセル間隔壁の細孔を排気ガスが通過する際に、ＰＭが隔壁表面に捕獲され、排気ガスが濾過される。

仮にフィルタ２３が新品であるとした場合、全ての細孔が隔壁表面上で露出している。この状態からＰＭの捕集が開始されると、細孔の入口が徐々にＰＭによって塞がれていき、フィルタの前後差圧は上昇していく。従って、ＰＭ捕集量が実質的にゼロとみなされるフィルタ再生終了時点（Ｔ＝Ｔ０）から、ＰＭ捕集の初期段階では、隔壁表面上に露出する細孔の入口をＰＭで次々と塞いでいく段階であるため、第２捕集量Ｔに対する第１捕集量Ｍの感度は大きく、第２捕集量Ｔの増大に対して第１捕集量Ｍは増大し易い。これが、第２捕集量Ｔの少ない領域で変化率ＫＸが比較的大きい理由である。

その後、ＰＭの捕集が続くと、隔壁表面および細孔入口に堆積したＰＭの層（これを深層という）の上に、さらにＰＭが堆積するようになる。この深層の上に堆積したＰＭの層を表層という。表層は隔壁表面および細孔入口に接触していない。こうなるともはや、細孔入口を新たにＰＭで塞ぐ段階は終了し、深層の上に単にＰＭが次々と堆積していき、表層が成長していく、つまり表層厚さが増大していく段階に移行する。表層の成長は、排気ガスがＰＭの層全体を通過して細孔に入るときの通過抵抗を増大させ、フィルタの前後差圧を増大させる。しかしその増大の程度は、細孔入口を新たに塞ぐときに比べれば小さいものである。

よってこの段階では、初期段階に比べ、第２捕集量Ｔに対する第１捕集量Ｍの感度は小さく、第２捕集量Ｔの増大に対して第１捕集量Ｍは増大し難い。しかもこの傾向は、ＰＭの捕集が進むほど、すなわち第２捕集量Ｔが増大するほど強くなる。これが、第２捕集量Ｔの増大につれ特性値Ｘの変化率ＫＨが減少する理由である。

次に、図４を参照しつつ、捕集量マップを使用して検出可能な多様な異常モードの代表例を説明する。

図中、破線は、第２捕集量Ｔおよび第１捕集量Ｍの実際値（座標（Ｔ，Ｍ）で表される）の推移を示し、○（マル）は正常の場合、×（バツ）は異常の場合を示す。

本実施形態では基本的に、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲（ＸＬ≦Ｍ≦ＸＨ）から外れるか、または実際の第１捕集量Ｍの変化率Ｋが正常範囲（ＫＸＬ≦Ｋ≦ＫＸＨ）から外れたとき、異常と診断される。

まず図示するケースＣ１について説明する。このケースＣ１では、フィルタ再生終了時点（Ｔ＝Ｔ０）における実際の第１捕集量の値Ｍ１１が、既に上限値ＸＨを超えている。この場合、ＥＣＵ１００は、フィルタ２３内にアッシュが過剰蓄積しているモード１の異常と診断する。

アッシュとは、フィルタ２３内のＰＭを燃焼してできる灰であり、それ以上燃焼除去できないものである。フィルタの新品時には、アッシュが存在しないので、Ｔ＝Ｔ０のときの実際の第１捕集量Ｍの初期値は、特性値の初期値Ｘ０付近の値を示す。この状態からＰＭ捕集とフィルタ再生が繰り返されると、徐々にフィルタ２３内のアッシュ蓄積量が増えていく。アッシュ蓄積量が過剰だと、実際の第１捕集量Ｍの初期値が大きくなり、実際の第１捕集量Ｍが早期に最大値Ｍ４に達してしまって、フィルタ再生の頻度が増加してしまう。よって燃費が悪化する。

このため、アッシュ蓄積量が過剰となった場合、ＥＣＵ１００はこれを異常と診断して図示しない警告装置（警告灯等）を起動し、ユーザーに警告する。これにより、アッシュの清掃除去やフィルタ交換等の必要な措置をユーザーに促すことができ、フィルタ再生頻度増加による燃費悪化を抑制できる。

なお、異常を診断した場合に警告する点は後述する他のモードでも同じである。アッシュには、灰以外の燃焼除去不可能な異物も含まれるものとする。

ここでは実際の第１捕集量Ｍの初期値が上限値ＸＨを超えた場合にモード１の異常と診断した。しかしながら、上限値ＸＨ以外の専用のしきい値を別途定め、このしきい値を実際の第１捕集量Ｍの初期値が超えた場合に異常と診断してもよい。この場合、しきい値以下の第１捕集量Ｍの値が正常範囲を規定する。

次に、図示するケースＣ２について説明する。このケースＣ２では、アッシュ蓄積量が比較的多いため、実際の第１捕集量Ｍの初期値が上限値ＸＨに近づいているものの、上限値ＸＨを超えるまでには至っていない。また実際の第１捕集量Ｍは、最初（Ｔ＝Ｔ０）から最後（Ｍ＝Ｍ４）まで、上限値ＸＨに近いものの、上限値ＸＨを超えてはいない。この場合、アッシュ蓄積量は多いもののエンジン自体は正常と考えられる。そのため、ＥＣＵ１００は正常と診断する。

次に、ケースＣ３では、実際の第１捕集量Ｍが捕集開始（Ｔ＝Ｔ０）からＴ＝Ｔ３１の時点まで、概ね特性値Ｘ付近で増大しているものの、Ｔ＝Ｔ３１の時点から急激に変化率Ｋが増大し始め、直後のＴ＝Ｔ３２の時点で変化率Ｋが正常範囲の上限値ＫＸＨを超えている。この場合、ＥＣＵ１００は、エンジンの燃焼室からのＰＭ排出量が過多であるモード２の異常と診断する。

この場合、Ｔ＝Ｔ３１の時点でエンジンの故障が発生し、燃焼室から正常時よりも多くのＰＭが排出していると考えられる。そこでこの場合には、モード２の異常と診断してユーザーに警告し、必要な措置をユーザーに促す。

他方、ケースＣ４のように、Ｔ＝Ｔ３１の時点で変化率Ｋが増大し始めるものの、変化率Ｋが上限値ＫＸＨを超えるまでには至らず、正常範囲内に収まっている場合もある。この場合、図示するように、やがては実際の第１捕集量Ｍが第１捕集量の正常範囲の上限値ＸＨを超え、正常範囲から外れる場合が多い。よって、ＥＣＵ１００は、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲から外れた場合、モード３の異常と診断する。

ＥＣＵ１００は、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲の上限値ＸＨを超えた場合にも、下限値ＸＬを下回った場合（図示せず）にも、モード３の異常と診断する。このモード３の異常は、実際の第１捕集量Ｍが比較的緩慢に特性値Ｘからずれていく、比較的軽度の異常に該当する場合が多い。増大側にずれていく異常の原因としては、エンジンの軽度の故障によるＰＭ排出量増大や、何等かの異物によるフィルタの詰まり等が考えられる。減少側にずれていく異常の原因としては、フィルタのひび割れ等の軽度の損傷が考えられる。

次に、やや特殊なケースではあるが、ケースＣ５では、それまで正常範囲内で推移していた実際の第１捕集量ＭがＴ＝Ｔ５１の時点から急激に減少しており、このときの変化率Ｋは下限値ＫＸＬを下回る。そして実際の第１捕集量ＭはやがてＴ＝Ｔ５２の時点で下限値ＸＬを下回る。しかし、実際の第１捕集量Ｍは、その後短時間内に上昇復帰し、Ｔ＝Ｔ５３の時点で下限値ＸＬ以上となり、やがて減少前の値付近まで復帰する。

こうした、極短時間だけ正常範囲を下回る実際の第１捕集量Ｍの挙動は、排気通路内に溜まった凝縮水等の水がフィルタに降り掛かり、あるいは付着した場合に起こり得る。すなわち、水がフィルタに付着すると、その付着部分に堆積するＰＭが水で洗い流されたり、ガス透過し易い組成に変性したりすることがある。こうなると、その部分だけ排気ガスの通過抵抗が減少し、その部分に排気ガスが集中的に流れる結果、フィルタ全体としての差圧が急減する。

しかしながら、その部分はやがてＰＭの堆積や乾燥によって元の状態に戻り、フィルタ全体としての差圧も上昇復帰する。

このケースＣ５の場合、一時的にフィルタに水が付着しただけで、エンジン自体は正常である。よってこの場合、ＥＣＵ１００は正常と診断する。

具体的にはＥＣＵ１００は、変化率Ｋが下限値ＫＸＬを下回ったとき、直ちに異常とは判定せず、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲内にある限り、正常と判定する。そして変化率Ｋが下限値ＫＸＬを下回った状態で、実際の第１捕集量Ｍが下限値ＸＬを下回った場合、Ｍ＜ＸＬが継続する時間Δｔ（図中のＴ５２〜Ｔ５３）を計測する。この計測された継続時間Δｔが所定のしきい値Δｔｓ未満の場合、ＥＣＵ１００は正常と診断する。

他方、継続時間Δｔがしきい値Δｔｓ以上の場合には、実際の第１捕集量Ｍが上昇復帰しておらず、フィルタへの水付着以外のケースと考えられるため、ＥＣＵ１００はモード４の異常と診断する。このモード４の異常の原因としては、フィルタの割れ、穴開き等の重度の損傷が考えられる。

次に、図５を参照して、本実施形態の診断処理のルーチンを説明する。当該ルーチンは図示するフローチャートに従って、ＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、回転速度センサ４０、アクセル開度センサ４１および差圧センサ４５によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度Ａｃおよび差圧ΔＰを取得する。

次にステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、取得したエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃに対応した目標燃料噴射量Ｑを、図３（Ｂ）に示した燃料噴射量マップから算出する。またＥＣＵ１００は、取得した差圧ΔＰに対応したフィルタ２３の第１捕集量Ｍを、図３（Ａ）に示した第１捕集量マップから算出する。

次にステップＳ１０３において、ＥＣＵ１００は、取得したエンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑに対応した第２捕集量Ｔの瞬時値Ｓを、図３（Ｃ）に示した瞬時値マップから算出する。そしてステップＳ１０４において、ＥＣＵ１００は、算出した瞬時値Ｓを積算し、第２捕集量Ｔを算出する。

次にステップＳ１０５において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４で算出された実際の第２捕集量Ｔが、所定のしきい値Ｔ０１以下か否か判断する。しきい値Ｔ０１は、第２捕集量Ｔの最小値Ｔ０（図２参照）より僅かに大きい値に設定されている。従ってこのステップＳ１０５は、実質的に、現時点がフィルタ再生終了時点か否かを判断していることとなる。

実際の第２捕集量Ｔがしきい値Ｔ０１以下の場合、現時点は実質的にフィルタ再生終了時点とみなされ、ＥＣＵ１００はステップＳ１０６に進み、実際の第１捕集量Ｍが、第１捕集量Ｍの正常範囲の上限値ＸＨを超えているか否かを判断する。なお、ここでの上限値ＸＨは実際の第２捕集量Ｔに対応した値である。

実際の第１捕集量Ｍが上限値ＸＨを超えている場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１０７に進み、モード１の異常と診断し、ルーチンを終了する。他方、実際の第１捕集量Ｍが上限値ＸＨを超えていない場合、ＥＣＵ１００はルーチンを終了する。これによりＥＣＵ１００は実質的に正常もしくは異常無しと診断することとなる。

他方、ステップＳ１０５において実際の第２捕集量Ｔがしきい値Ｔ０１を超えている場合、現時点は実質的にフィルタ再生終了時点より後の時期とみなされ、ＥＣＵ１００はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、ＥＣＵ１００は、実際の第２捕集量Ｔが位置する領域ＴＡｊ（但しｊは１，２，３，４の何れか）を特定する。そしてステップＳ１０９において、ＥＣＵ１００は、特定された領域ＴＡｊに対応する特性値Ｘの変化率ＫＸｊを特定する。

次いでステップＳ１１０において、ＥＣＵ１００は、第１捕集量Ｍの実際の変化率Ｋを算出する。そしてステップＳ１１１において、ＥＣＵ１００は、算出した変化率Ｋが正常範囲内にあるか否か、すなわちＫＸＬ≦Ｋ≦ＫＸＨが成立しているか否かを判断する。ここでＫＸＨ，ＫＸＬは、ステップＳ１０９で特定された変化率ＫＸｊにβを加減した値である。

変化率Ｋが正常範囲内にない場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１１２に進み、変化率Ｋが上限値ＫＸＨより大きいか否かを判断する。イエスの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１１３に進み、モード２の異常と診断し、ルーチンを終了する。他方、ノーの場合、すなわちＫ＜ＫＸＬの場合にはステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１１において変化率Ｋが正常範囲内にある場合にもステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１４において、ＥＣＵ１００は、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲内にあるか否か、すなわちＸＬ≦Ｍ≦ＸＨが成立しているか否かを判断する。

ノーの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１１５に進み、実際の第１捕集量Ｍが下限値ＸＬより小さいか否かを判断する。イエスの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１１６で、Ｍ＜ＸＬとなった時点からの継続時間Δｔが所定のしきい値Δｔｓ以上に達したか否かを判断する。達してなければルーチンを終了し、達していればステップＳ１１７に進んで、モード４の異常と診断し、ルーチンを終了する。

他方、ステップＳ１１５でノーの場合、すなわちＭ＞ＸＨの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１１８に進んで、モード３の異常と診断し、ルーチンを終了する。

他方、ステップＳ１１４でイエスの場合、ＥＣＵ１００は直ちにルーチンを終了する。これにより実質的に正常もしくは異常無しとの診断がなされる。

以上述べたように本実施形態によれば、捕集量マップを使用して診断を行うことにより、多様なモードの異常を的確に検出することが可能となる。

なお、モード１の異常が特許請求の範囲にいう第１モードの異常に相当し、モード２の異常が特許請求の範囲にいう第２モードの異常に相当する。

次に、本実施形態の変形例を説明する。この変形例では、前述の診断に加え、次のような診断が可能となっている。

図６に示すように、ケースＣ６１，Ｃ６２では、実際の第２捕集量Ｔが点Ｐ１で示すように正常に最大値Ｔ４まで達し、フィルタ再生が開始されている。しかし、フィルタ再生が正常に終了する前に、ユーザーまたは車両側の都合で、フィルタ再生が途中で中断されている（Ｔ＝Ｔ６１）。例えば、ユーザーが再生途中で再生を強制的に終了させてしまったり、寒冷地走行や渋滞路走行等で排気温度が低下し、フィルタ再生条件が満たされなくなったりすると、こうした中断が起こり得る。

この中断の時点Ｔ６１において、実際の第１捕集量Ｍは、点Ｐ２で示すように、ケースＣ６１，Ｃ６２ともに、正常範囲（ＸＬ≦Ｍ≦ＸＨ）から外れ、それより大きい値となっている。しかし、こうした正常範囲からのずれは、差圧センサ４５の検出値の一時的なずれないし誤差等といった、一時的異常要因による可能性もある。例えば、差圧センサ４５の配管が水やＰＭで一時的に詰まってしまうと、こうしたずれが生じ得る。

そこで、フィルタ再生が途中で中断された場合には、その中断時点Ｔ６１から所定の待ち時間Δｔｗだけ待機し、その待ち時間Δｔｗの経過後（Ｔ＝Ｔ６２）に実際の第１捕集量Ｍを用いて診断を行う。言い換えれば、待ち時間Δｔｗ中は診断を一時停止する。これにより、差圧センサ４５の検出値の一時的なずれ等といった一時的異常要因により、恒久的異常と誤って診断することを回避することができる。

ケースＣ６１の場合では、待ち時間Δｔｗ経過後の時点Ｔ６２において、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲内に入っている。このためＥＣＵ１００は正常と診断する。この場合、待ち時間Δｔｗの最中に一時的異常要因が解消したと考えられる。

他方、ケースＣ６２の場合では、待ち時間Δｔｗ経過後の時点Ｔ６２においても、実際の第１捕集量Ｍが依然として正常範囲より高い値となっている。この場合、ＥＣＵ１００は、モード５の異常と診断する。このモード５の異常原因は、モード３の異常原因と類似していると考えられる。例えば、エンジンの故障によるＰＭ排出量増大があると、再生中に捕集ＰＭを燃焼除去しようとしているにも拘わらず、フィルタにＰＭが供給されてしまい、フィルタ再生が狙い通りに進まなくなる。また、ＰＭ以外の異物によるフィルタの詰まり等があってもフィルタ再生が狙い通りに進まなくなる。よってこうした場合には、モード５の異常が起こる可能性がある。

なお、ＥＣＵ１００は、フィルタ再生中におけるフィルタ再生開始時点（Ｔ＝Ｔ４）からの第２捕集量Ｔの減少量を常時リアルタイムで計算している。そのため、Ｔ４から減少量を減算することにより、フィルタ再生中断時点における第２捕集量の値Ｔ６１を算出可能である。

このケースＣ６１，Ｃ６２と類似するケースとして、ケースＣ６３，Ｃ６４もある。このケースＣ６３，Ｃ６４では、前記同様、実際の第２捕集量Ｔが点Ｐ１の如く最大値Ｔ４に達し、フィルタ再生が開始された後、フィルタ再生が途中で中断されている（Ｔ＝Ｔ６１）。但し、この中断時点Ｔ６１において実際の第１捕集量Ｍは、点Ｐ３で示すように、ケースＣ６３，Ｃ６４ともに、正常範囲より小さい値となっている。

このときにも、中断時点Ｔ６１から所定の待ち時間Δｔｗだけ待機し、その待ち時間Δｔｗの経過後（Ｔ＝Ｔ６２）に診断を行う。これにより、一時的異常要因により恒久的異常と誤って診断することを回避できる。

ケースＣ６３の場合では、待ち時間Δｔｗ経過後の時点Ｔ６２において、実際の第１捕集量Ｍが正常範囲内に入っている。このためＥＣＵ１００は正常と診断する。

他方、ケースＣ６４の場合では、待ち時間Δｔｗ経過後の時点Ｔ６２においても、実際の第１捕集量Ｍが依然として正常範囲より低い値となっている。この場合、ＥＣＵ１００は、モード６の異常と診断する。このモード６の異常原因は、モード４の異常原因と類似していると考えられる。例えば、フィルタに割れ、穴開き等の損傷が生じると、モード６の異常が起こる可能性がある。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は他にも様々な実施形態が可能である。

（１）例えば、捕集量マップにおいて、第２捕集量Ｔに関する領域の数は、４に限らず、４以外の複数としてもよい。また領域の境界は、必ずしも特性値Ｘの変曲点の位置に設定しなくてもよく、任意の位置に設定可能である。

（２）第１捕集量Ｍの正常範囲の上限値ＸＨおよび下限値ＸＬの設定方法は、上記以外にも、試験結果等に応じて任意の方法が可能である。同様に、変化率ＫＸの正常範囲の上限値ＫＸＨおよび下限値ＫＸＬの設定方法も、上記以外の任意の方法が可能である。

（３）上記実施形態では、モード１からモード６までの６つの異常モードを検出できるようにしたが、これらの一部のみ検出可能となるよう変形することも可能である。また、より多くの異常モードを検出できるよう変形することも可能である。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 排気通路
２３ フィルタ
４５ 差圧センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (5)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の診断装置であって、
   前記フィルタの前後差圧に基づいて前記フィルタの第１捕集量を検出し、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記フィルタの第２捕集量を推定し、
   前記第２捕集量に対する前記第１捕集量の関係を規定する特性値が入力されたマップを予め記憶し、
   検出および推定した実際の前記第１捕集量および前記第２捕集量に基づき、前記マップを使用して異常の有無を診断するように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関の診断装置。
2. 前記特性値は、前記第２捕集量が増大するほど増大する傾向にあり、前記特性値の変化率は、前記第２捕集量が増大するほど減少する傾向にある
   請求項１に記載の内燃機関の診断装置。
3. 前記マップに、前記第２捕集量の大きさに応じて区分された複数の領域が設定され、前記領域毎に、前記特性値と、前記特性値を基準とした前記第１捕集量の正常範囲と、前記特性値の変化率を基準とした前記変化率の正常範囲とが設定され、
   前記診断装置は、
   前記第１捕集量の実際の変化率を算出し、
   実際の前記第１捕集量が正常範囲内にあるか否か、および、実際の前記変化率が正常範囲内にあるか否かにより、異常の有無を診断する
   請求項１または２に記載の内燃機関の診断装置。
4. 前記フィルタの再生終了時点で検出された実際の前記第１捕集量が前記正常範囲より大きい値であるとき、前記フィルタ内にアッシュが過剰蓄積している第１モードの異常と診断する
   請求項３に記載の内燃機関の診断装置。
5. 実際の前記変化率が前記変化率の正常範囲より大きい値であるとき、前記内燃機関の燃焼室からの粒子状物質排出量が過多である第２モードの異常と診断する
   請求項３または４に記載の内燃機関の診断装置。

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