JP4363211B2

JP4363211B2 - 内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置

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Publication number: JP4363211B2
Application number: JP2004035062A
Authority: JP
Inventors: 安浩苅谷; 司窪島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: JP2005226519A; US20050178272A1; DE102005005055A1; US7396389B2

Description

本発明はパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、該内燃機関の排気浄化装置の異常を検出する異常検出装置に関する。

近年、自動車などに搭載される内燃機関では、排気エミッションの低減が要求されており、特に軽油を燃料とする圧縮着火式のディーゼルエンジンでは、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯxに加え、排ガス中の煤やＳＯＦなどの排気微粒子を除去することが必要になる。このため、排気通路にパティキュレートフィルタを配置し、ここで、排ガス中の排気微粒子を捕集している。

パティキュレートフィルタは、流入した排ガスに多孔質の隔壁を透過させ、その際に、隔壁の表面や細孔で排ガス中の排気微粒子を捕集する。捕集されて堆積する量が過剰に増えると、パティキュレートフィルタにおける流通抵抗の増大で内燃機関の背圧が上昇し、出力の低下などをもたらす。このため、パティキュレートフィルタの堆積した排気微粒子をパティキュレートフィルタから適宜、除去してパティキュレートフィルタを再生し、パティキュレートフィルタの排ガス流下能力を回復させる必要がある。

パティキュレートフィルタの再生を内燃機関の運転中に可能としたものとして、パティキュレートフィルタに白金などの酸化触媒を設けたものがある。排気行程において燃料を噴射するポスト噴射により燃料をパティキュレートフィルタに供給し、その燃焼熱を利用して、噴射燃料に比して酸化しにくい堆積排気微粒子を酸化、除去する。

パティキュレートフィルタの再生は頻繁に行うと燃費が悪化する。一方、次に再生するまでの間があきすぎると、再生開始時に排気微粒子の堆積量が過剰となり、再生処理において堆積排気微粒子が急速に燃焼する。パティキュレートフィルタが異常な高温となり、破損するおそれがある。したがって、排気微粒子の堆積状態を判断し、パティキュレートフィルタの再生時期を決定するのが望ましい。下記特許文献１、２等には、パティキュレートフィルタへの排気微粒子の堆積量の増大による前記流通抵抗の増大で、パティキュレートフィルタの入口と出口との差圧が増大することを利用して、この差圧を検出し、検出差圧が所定値を超えると再生すべき時期と判じるものが開示されている。
特開２００３−２７９１９号公報特開２００３−８３０３５号公報

ところで、前記差圧を検出する差圧センサはパティキュレートフィルタを挟んで排気通路の上流と下流とに導圧用の配管と接続されている。この配管は耐熱性の金属管やゴムホースであるが、使用環境などによって亀裂などの破損や外れ、詰まりなどが生じると、差圧の検出精度が低下し、排気微粒子について正確な堆積状態を知ることができなくなる。また、破損や外れの場合には排ガスが外部に漏れるおそれがある。

本発明は、前記実情に鑑みなされたもので、前記破損などによりパティキュレートフィルタの差圧の検出異常が生じたときに、これを簡単に検出することのできる異常検出装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、排気通路の途中に排ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタの入口の圧力と出口の圧力とをそれぞれ配管を介して差圧センサに導圧して、差圧センサにてパティキュレートフィルタの入口と出口との差圧を検出し、該差圧を含む排ガスの状態に基づいて、パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子の堆積状態を判断する内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、
前記差圧の検出値の脈動の大きさを計測する脈動計測手段と、
計測された前記差圧の検出値の脈動の大きさが所定の基準値よりも大きいと、前記配管の異常と判定する異常判定手段とを具備せしめる。
前記異常判定手段は、前記基準値を、前記内燃機関の機関回転数、機関出力トルクのうちの少なくとも一つ以上の情報に応じて設定し、かつ前記基準値を、前記内燃機関の機関回転数が大きいほど、機関出力トルクが小さいほど、小さく設定する。

差圧センサに向かって伝播する圧力脈動は、パティキュレートフィルタの入口側の圧力を導圧する配管を介して、また、パティキュレートフィルタを通過し、パティキュレートフィルタの出口側の圧力を導圧する配管を介して、差圧センサに達する。これら２つの経路をとる圧力脈動は差圧センサにおいて略同相であり、配管の破損などがなければ、差圧センサの検出差圧に対する影響は相当程度相殺する。したがって、差圧の検出値に脈動は大きくは現れない。

一方、前記配管に破損などがあると、差圧センサに達する圧力脈動の大きさが２つの経路間でアンバランスになり、差圧の検出値に圧力脈動の影響が大きく現れる。
排気圧の脈動の大きさは、内燃機関の機関回転数、機関出力トルクに応じて変化するため、これらに応じて基準値を設定することで正確な異常検出が可能となる。
機関回転数が大きいほど、機関出力トルクが小さいほど、排気圧の脈動の大きさは減少傾向を呈する。このため、差圧の検出値に含まれる脈動成分も弱くなる。このとき、基準値を小さくすることで、高感度で配管の破損などを検出することができる。

配管の漏れを直接調査することなく、差圧の検出値の挙動をみるだけでよいので、実施が容易である。
本発明は、差圧の大きさの変化が小さいために従来は検出が困難であった下流配管異常検出に特に有効である。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記異常判定手段は、前記
基準値を、前記内燃機関の機関回転数、機関出力トルク、前記前記脈動計測手段は、前記脈動の大きさを、所定期間における前記差圧センサ検出値の最大値と最小値の差とする。

請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記内燃機関の運転状態が定常運転状態にあるときのみ異常の有無を判定する。

請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、パティキュレートフィルタの入口側で前記パティキュレートフィルタと差圧センサとを結ぶ配管とパティキュレートフィルタの出口側で前記パティキュレートフィルタと差圧センサとを結ぶ配管とで長さを略同じとする。

２つの経路を伝わる圧力脈動の位相を略揃えることができるので、正常時には圧力脈動による差圧検出値の脈動は殆ど生じず、高感度で配管の破損などを検出することができる。

請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、脈動計測手段は、前記差圧の検出値の脈動の大きさとして、複数の気筒間の平均値を算出し、前記異常判定手段は、前記平均値を前記基準値と比較する。

圧力脈動は気筒における爆発に基因して生じるため、気筒間でその大きさがばらつくことがある。複数の気筒間の平均値に基づいて配管の異常を検出することで、圧力脈動の気筒間ばらつきに基因した誤検出を回避することができる。

図１に、本発明の第１の実施の形態になる排気浄化装置を付設したディーゼルエンジンを示す。エンジン本体１は複数の気筒を備えており、各気筒で順次、混合気が燃焼し、図示しないクランクシャフトから回転動力を出力する。以下の説明において本エンジン本体は４気筒として説明する。混合気の燃焼後に各気筒から排出される排ガスは、排気通路２１に設けられた装置により清浄化される。かかる装置の一つとしてパティキュレートフィルタ（以下、適宜、ＤＰＦという）２２が設置されている。

ＤＰＦ２２は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、ガス流路となる多数のセルをＤＰＦ２２の両端の入口２２１側または出口２２２側が互い違いとなるように目封じしてなる。セル壁表面には、Ｐｔ等の酸化触媒が塗布されている。ＤＰＦ２２の全体形状はハニカム構造が現れる断面が円形のもので、排気通路２１を流通する排ガスが、ＤＰＦ２２の前記セル間の多孔性の隔壁を通過しながら下流へ流れ、その間に排気微粒子（パティキュレート）が捕集されて次第に堆積する。

排気通路２１には、ＤＰＦ２２へのパティキュレートの堆積量（ＰＭ堆積量）を知るために、ＤＰＦ２２の前後差圧を検出する差圧センサ４４が接続される。差圧センサ４５の一端側は配管３ａを介してＤＰＦ２２の入口２２１と、他端側は配管３ｂを介してＤＰＦ２２の出口２２２と、それぞれ連通しており、ＤＰＦ２２の差圧に応じた信号をＥＣＵ４１に出力する。以下、適宜、配管３ａをＤＰＦ前側配管３ａといい、配管３ｂをＤＰＦ後側配管３ｂという。ＤＰＦ前側配管３ａとＤＰＦ後側配管３ｂとは長さを略同じに設定してある。

排気通路２１にはまた、ＤＰＦ２２の直上流と直下流とにそれぞれ排気温センサ４６ａ，４６ｂが設置されている。排気温センサ４６ａ，４６ｂはＥＣＵ４１に接続されており、排気温センサ４６ａがＤＰＦ２２の入口２２１のガス温度（以下，適宜、ＤＰＦ入口ガス温度という）を検出し、排気温センサ４６ｂが出口２２２のガス温度（以下，適宜、ＤＰＦ出口ガス温度という）を検出して、ＥＣＵ４１に出力する。

ＥＣＵ４１には、エンジン回転数を検出する回転数センサ４２、スロットルバルブの開度を検出するアクセル開度センサ４３、新気量を検出するエアフローメータ４４等からの信号が出力されるようになっている。

ＥＣＵ４１はマイクロコンピュータを中心として構成されたもので、前記各種センサの出力信号から知られる運転状態に応じた燃料噴射量、噴射時期等を算出して、エンジンの各部を制御する。また、ＤＰＦ２２におけるＰＭ堆積量を監視してＤＰＦ２２の再生時期か否かを判断する。この判断は、ＤＰＦ差圧の検出値および排気流量に対してＰＭ堆積量を対応させる二次元マップに基づいてＰＭ堆積量を演算し、演算されたＰＭ堆積量が所定の基準値を超えているか否かにより行う。なお、排気流量は、吸気量を、排気温センサ４６ａ，４６ｂにより検出されるＤＰＦ入口温度およびＤＰＦ出口温度に基づいて換算する。このとき燃焼によるもモル数の増大を考慮にいれるのも勿論よい。

ＥＣＵ４１はエンジン本体１の燃料噴射を行うインジェクタを駆動制御する他、車室のインストゥルメントパネルに設けられたＭＩＬ（故障表示ランプ）５１を点灯駆動する。

ＥＣＵ４１は異常検出装置の一部を構成しており、図２にＥＣＵ４１で実行されるＤＰＦ差圧検出系の異常検出制御を示す。ステップＳ１０１ではエンジン回転数、エンジン出力トルク、ＰＭ堆積量を読み込む。ステップＳ１０２でエンジンが定常運転状態か否かを判定する。肯定判断されるとステップＳ１０３に進み、否定判断されるとステップＳ１０１に戻る。定常運転状態か否かは、所定時間内のエンジン回転数の変動幅が予め設定した基準値以下か否かにより判断する。エンジン回転数の変動幅が予め設定した基準値以下であれば定常運転状態と判断し得る。

ステップＳ１０３〜Ｓ１０５は脈動計測手段としての処理である。ステップＳ１０３では、ＤＰＦ差圧センサ４５の信号値（以下、適宜、ＤＰＦ差圧検出値という）を読み込む。読込みのタイミングはエンジン回転に同期したタイミング、例えばクランク角２０°ＣＡ毎とする。

続くステップＳ１０４は、今回までに１８０°ＣＡ分のＤＰＦ差圧検出値が読み込まれたとき、すなわち、１８０°ＣＡ毎に実行される。ステップＳ１０４では、読み込まれたＤＰＦ差圧検出値間の大小を比較して、これらのうちの最大値と最小値とを求める。そして、最大値−最小値をＤＰＦ差圧検出値の振幅として一時記憶する。

ステップＳ１０５は、ステップＳ１０４で算出されたＤＰＦ差圧検出値の振幅が４回、演算、一時記憶されると、実行される。ステップＳ１０５では、その４回分のＤＰＦ差圧検出値の振幅の平均値（以下、適宜、振幅平均値という）を算出する。各１８０°ＣＡの区間について得られる最大値および最小値（最大値、最小値）を、（Ｍａｘ１、Ｍｉｎ１）、（Ｍａｘ２、Ｍｉｎ２）、（Ｍａｘ３、Ｍｉｎ３）、（Ｍａｘ４、Ｍｉｎ４）とすれば、式（１）となる。
振幅平均値＝〔（Ｍａｘ１−Ｍｉｎ１）＋（Ｍａｘ２−Ｍｉｎ２）
＋（Ｍａｘ３−Ｍｉｎ３）＋（Ｍａｘ４−Ｍｉｎ４）〕／４・・・（１）

ステップＳ１０６，Ｓ１０７は異常判定手段としての処理である。ステップＳ１０６では、前記振幅平均値が異常か否かを判定するための基準値である異常判定値を算出する。異常判定値は、ステップＳ１０１で読み込まれたエンジン回転数、エンジン出力トルクに基づいて算出される。算出は、予めエンジン回転数、エンジン出力トルクに対して異常判定値が対応する１次元マップに基づいて求める。マップでは、エンジン回転数が大きいほど、機関出力トルクが小さいほど、のうちの条件の少なくとも一つ以上の条件に合致したときに、小さな異常判定値が与えられるようになっている。マップは制御プログラムなどとともにＲＯＭに記憶しておく。

あるいは、エンジン回転数に応じた一次元マップをもとに決めた異常判定値ベース値を、エンジン出力トルク、ＰＭ堆積量に応じた係数を乗じて補正するようにしてもよい。この場合の補正係数は、エンジン出力トルクが小さいほど小さな値となるように設定される。

または、簡易的に異常を判定するためには、エンジン回転数による一次元マップから異常判定値を求めるようにしてもよい。この場合、エンジン出力トルクは、異常判定を行う状態における最大値として異常判定値が決定される。本方法によれば、異常判定値を決定するための時間を大幅に短縮することが可能となる。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０５で算出した前記振幅平均値がステップＳ１０６で算出した異常判定値を超えているか否かを判定する。肯定判断されるとステップＳ１０８でＭＩＬ５１を点灯し、運転者に異常の発生を報知する。否定判断されるとステップＳ１０１に戻る。

本実施形態はこのように構成されており、次の効果を奏する。図３は２０°ＣＡ毎に読み込まれる差圧センサ４５の出力信号の経時変化を示すものである。混合気の爆発によりエンジン本体１から排気通路２１を伝播する排気圧の圧力脈動の影響が認められる。脈動周期は略１８０°ＣＡである。これは圧力脈動が混合気の爆発に基因し、４気筒エンジンにおいては略１８０°ＣＡ間隔で混合気の爆発がなされるからである。本実施形態において略１８０°ＣＡの区間内のＤＰＦ差圧検出値の最大値および最小値を求めている（ステップＳ１０４）のもかかる点を考慮したものである。また、４回分の脈動の平均をとる（ステップＳ１０５）ことで、順次、爆発が行われる４気筒すべての平均をとることで、気筒間ばらつきを排除することができる。

このように得られた振幅平均値は、配管３ａ，３ｂに異常が生じたとき、例えば配管３ａ，３ｂの管壁の破れや、排気通路２１との接続部におけるシール不良や外れ、あるいは詰まりが生じると、これを次のように検出し、ＭＩＬ５１を点灯せしめる。図４は排気圧の経時変化を示すもので、ＤＰＦ前側配管３ａを介して導圧されるＤＰＦ前排気圧とＤＰＦ後側配管３ｂを介して導圧されるＤＰＦ後排気圧とである。図５は前記異常のない正常時におけるＤＰＦ差圧センサ４５により検出されるＤＰＦ差圧、すなわち、前記ＤＰＦ前排気圧とＤＰＦ後排気圧との差である。

ＤＰＦ前側配管３ａとＤＰＦ後側配管３ｂとは長さを略同じに設定してあるから、ＤＰＦ前排気圧とＤＰＦ後排気圧とにおいて、圧力脈動の伝播時間の差は、ＤＰＦ２２を圧力脈動の経路として含むか否かの差であり、比較的小さい。したがって、ＤＰＦ差圧にも排気圧の脈動に基因した脈動が現れるが、配管３ａ，３ｂが正常の場合には、ＤＰＦ前排気圧およびＤＰＦ後排気圧の圧力脈動の成分が相当程度、相殺し、図５のごとく圧力脈動の影響は小さくなる。これに対してＤＰＦ後側配管３ｂに亀裂などの異常があった場合には亀裂等からの漏れにより、あるいは、ＤＰＦ後側配管３ｂに詰まりなどの異常があった場合には大気圧に対して陽圧になっている排気通路２１側と遮断されることで、図６（Ａ）のように、ＤＰＦ後排気圧は略大気圧まで低下し、圧力脈動も小さくなる。したがって、ＤＰＦ差圧検出値の振幅が大きくなる。そして、これが異常判定値を超えると配管３ｂの異常と判断できることになる。

一方、ＤＰＦ前側配管３ａに亀裂などの異常があった場合を示す図６（Ｂ）では、亀裂からの漏れ等により、圧力脈動はＤＰＦ前排気圧で小さくなり、ＤＰＦ差圧の振幅が大きくなる。

したがって、図７に示すように、ＤＰＦ差圧検出値の振幅を異常判定値と比較して振幅が小さければ正常（図中、ａ）と判断でき、振幅が大きければ異常（図中、ｂ）と判断できることになる。

なお、ＤＰＦ前側配管３ａに亀裂などの異常があった場合は、ＤＰＦ差圧が負値をとるので、このことから異常の発生が知られるが、ＤＰＦ後側配管３ｂに異常がある場合はこのような変化は生じないので、本発明が特に有効となる。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）はＤＰＦ差圧の経時変化を示すもので、エンジン回転数が互いに異なっている。低回転側から図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）となっている。エンジン回転数が高くなるほどＤＰＦ差圧の振幅は小さくなる。このため、例えば異常判定値の値によっては低回転域では適正に異常を判定できても、高回転域で異常を見逃す場合が生じるおそれがある。判定感度を高めるには異常判定値は小さい方がよいが、正常であっても低回転域で異常と誤判定するおそれがある。本実施形態のように、異常判定値をエンジン回転数が高いほど小さくする（ステップＳ１０６）ことで、異常判定値を一層適正化することができる。

また、本実施形態では、運転状態が定常運転状態にあるときのみステップＳ１０３以降の処理が実行され、加速時などのような過渡的な運転状態のときには、ＤＰＦ差圧検出値に基づく配管３ａ，３ｂの異常の有無の判断はなされないようにしている（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）ので、配管３ａ，３ｂの異常の有無の判断の確度を一層、高めることができる。

なお、本実施形態では振幅平均値は４気筒分のＤＰＦ差圧検出値の振幅を平均したものとしているが、４気筒以上で平均してもよいし、それ以下でもよい。あるいは平均をとらずに１８０°ＣＡ毎に得られるＤＰＦ差圧検出値の振幅のそれぞれを以上判定値と比較するのでもよい。

また、本発明は実施形態に記載のものに限らず、本発明の趣旨に反しない限り、種々の実施態様が可能である。

本発明の実施形態になる内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置を適用した内燃機関の全体概略構成図である。前記異常検出装置を構成するＥＣＵで実行される制御を示すフローチャートである。前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第１のグラフである。前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第２のグラフである。前記内縁機関の排気浄化装置が正常時の前記異常検出装置の作動を説明するグラフである。（Ａ）は前記内燃機関の排気浄化装置が異常時の前記異常検出装置の作動を説明するグラフであり、（Ｂ）は前記内燃機関の排気浄化装置が別の異常時の前記異常検出装置の作動を説明するグラフである。前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第３のグラフである。（Ａ）は前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第４のグラフであり、（Ｂ）は前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第５のグラフであり、（Ｃ）は前記異常検出装置の一般的な作動を説明する第６のグラフである。

符号の説明

１エンジン本体
２１排気通路
２２ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２２１入口
２２２出口
３ａＤＰＦ前側配管（配管）
３ｂＤＰＦ後側配管（配管）
３１ａ，３１ｂ圧力取出口
４１ＥＣＵ（脈動計測手段、異常判定手段）
４２エンジン回転数センサ
４３アクセル開度センサ
４４エアフローメータ
４５差圧センサ
４６ａ，４６ｂ排気温センサ
５１ＭＩＬ

Claims

排気通路の途中に排ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有する内燃機関の排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタの入口の圧力と出口の圧力とをそれぞれ配管を介して差圧センサに導圧して、差圧センサにてパティキュレートフィルタの入口と出口との差圧を検出し、該差圧を含む排ガスの状態に基づいて、パティキュレートフィルタに堆積した排気微粒子の堆積状態を判断する内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、
前記差圧の検出値の脈動の大きさを計測する脈動計測手段と、
計測された前記差圧の検出値の脈動の大きさが所定の基準値よりも大きいと、前記配管の異常と判定する異常判定手段とを具備せしめ、
前記異常判定手段は、前記基準値を、前記内燃機関の機関回転数、機関出力トルクのうちの少なくとも一つ以上の情報に応じて設定し、かつ前記基準値を、前記内燃機関の機関回転数が大きいほど、機関出力トルクが小さいほど、小さく設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置。
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、前記脈動計測手段は、前記脈動の大きさを、所定期間における前記差圧センサ検出値の最大値と最小値の差とする内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置。
請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、前記異常判定手段は、前記内燃機関の運転状態が定常運転状態にあるときのみ異常の有無を判定する内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置。
請求項１ないし３いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、パティキュレートフィルタの入口側で前記パティキュレートフィルタと差圧センサとを結ぶ配管とパティキュレートフィルタの出口側で前記パティキュレートフィルタと差圧センサとを結ぶ配管とで長さを略同じとした内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置。
請求項１ないし４いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置において、脈動計測手段は、前記差圧の検出値の脈動の大きさとして、複数の気筒間の平均値を算出し、前記異常判定手段は、前記平均値を前記基準値と比較する内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置。