JP4487861B2

JP4487861B2 - 内燃機関用排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4487861B2
Application number: JP2005171101A
Authority: JP
Inventors: 学吉留
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE102006000283B4; DE102006000283A1; JP2006342768A

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）の排気ガスに含まれる排気微粒子（ＰＭ）をディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という。）により凝集し、捕集する内燃機関用排気ガス浄化装置において、排気ガス浄化装置の故障、特に、ＤＰＦの溶損、亀裂などの異常の有無を判断できる内燃機関用排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガスに含まれる排気微粒子（ＰＭ）の処理が大きな課題となっている。特に、ＤＰＦを備える排気系において、排気微粒子（ＰＭ）の過堆積や後噴射過大による温度の異常な上昇によりＤＰＦの溶損や亀裂が生じる虞がある。つまり、ＤＰＦの正常時におけるＰＭを補足する所定数値の隙間（大小サイズの隙間部を有しており、特に大サイズの上限値は所定値に設定される）として設定された多数個の通気孔群に対して、少なくとも一部の領域にて前記した所定数値の隙間を外れる隙間拡大する事態が生じてしまうことから、ＤＰＦとしての充分な機能が働かず、排気ガス規制値を超える排気微粒子（ＰＭ）を排出してしまうこととなる。このため、ＤＰＦの異常については早期に且つ高い精度で発見する必要がある。

従来技術としては、ＤＰＦ下流の排気温度が異常に高温になったことを検出する方法、或いは、ＤＰＦ前後の排気圧力の差が通常よりも小さくなったことを検出する方法などが採用されているが、いずれも、運転条件、環境条件によって通常値にバラツキが生じ、検出精度、検出頻度の点で不十分であった。

一方、特許文献１には、排気ガス中のＯ₂濃度によりＥＧＲ制御或いは燃料噴射量制御を行う内燃機関の制御装置において、酸素濃度センサーで検出されるＯ₂濃度データに代えて、吸入空気量、吸入空気圧、燃料噴射量などの内燃機関運転条件情報に基づいて算出した排気ガス中のＯ₂濃度を用いてＥＧＲ制御或いは燃料噴射量制御を行うことにより、排気ガスが酸素濃度センサーに到達するまでの時間差や酸素濃度センサー自体の化学反応の遅れによる、特に加速・減速時の制御精度の低下を改善する技術が開示されているが、内燃機関運転条件情報に基づいて算出した排気ガス中のＯ_２濃度をＤＰＦの異常の有無の判断に応用することについては何等記載されていないし示唆されてもいない。

また、特許文献2には、後噴射により未燃炭化水素をＮＯｘ触媒に供給するシステムにおいて、酸素濃度センサーにより検出されたＯ₂濃度によりＥＧＲ制御或いは燃料噴射量制御を行う内燃機関用排気浄化装置が開示されており、特に、後噴射された未燃炭化水素が酸素濃度センサーに付着して燃焼することにより検出Ｏ₂濃度が実際の排気ガス中のＯ₂濃度より低下した値となってしまうため、酸素濃度センサー補正手段によりこれを補正した上でＥＧＲ制御或いは燃料噴射量制御を行う技術である。特許文献2においては、排気ガス中の未燃炭化水素が酸素濃度センサーに付着して燃焼することにより酸素濃度センサーで検出される検出Ｏ₂濃度が実際の排気ガス中のＯ₂濃度より低下した値となってしまうという現象が記載されているものの、後述するような本発明がこの現象を応用してＤＰＦの溶損や亀裂などの異常の有無を判断するということについては、何等記載されていないし示唆されてもいない。

特開２００２−３２７６３４号公報特開平１０−２０５３８４号公報

本発明は、上記の従来技術が有する問題点を改良しようとするものであり、ＤＰＦの異常の有無についての検出精度或いは検出頻度の面で問題がある、ＤＰＦ下流の排気温度が異常に高温になったことを検出する方法やＤＰＦ前後の排気圧力の差が通常よりも小さくなったことを検出する方法ではなく、特に、ＤＰＦの溶損、亀裂などの異常の際に、ＤＰＦ下流へ通常よりも多めの排気微粒子（ＰＭ）などが流出し、その流出した排気微粒子（ＰＭ）などがＤＰＦの下流に配設した酸素濃度センサーに付着して燃焼することにより検出Ｏ₂濃度が大きく低下することに着目し、この低下した検出Ｏ₂濃度を検出することにより、ＤＰＦの異常を簡単且つ確実に判断する高性能な内燃機関用排気ガス浄化装置を実現しようとするものである。

請求項１の内燃機関用排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気通路にＤＰＦとその下流に配設された酸素濃度センサーとを備えた内燃機関用排気ガス浄化装置において、前記酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度に基づき、前記ＤＰＦにおける、ＰＭを補足するように設定された設定隙間を外れて隙間拡大する異常の有無を判断する判断手段を備え、前記判断手段は、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想最小Ｏ ₂ 濃度と前記酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の前記検出Ｏ ₂ 濃度との差値を算出する算出手段を有し、前記算出手段により算出された前記差値に基づいて、前記異常の有無を判断する判断手段であることを特徴とするものである。

本発明は、このように構成されているので、従来の、ＤＰＦ下流の排気温度が異常に高温になったことを検出する方法、或いは、ＤＰＦ前後の排気圧力の差が通常よりも小さくなったことを検出する方法に比較して、酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度の低下状況を判断するのみで、ＤＰＦの亀裂などの異常の有無を、簡単且つ確実に判断できるという効果を奏するものである。すなわち、内燃機関運転条件が時々刻々変化しても、変化する内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想最小Ｏ ₂ 濃度に対してその時点の酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ ₂ 濃度との差値によりＤＰＦの亀裂などの異常の有無を判断できるので、十分な検出精度、更には十分な検出頻度で簡単にＤＰＦの異常を判断できる。

請求項２の発明のように、好ましくは、前記算出手段は、前記予想最小Ｏ₂濃度を、前記内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想Ｏ₂濃度と、前記内燃機関運転条件情報から計算される、前記ＤＰＦの正常作動時における排気ガス中の前記酸素濃度センサーへ付着して燃焼する可能性のある物質の前記ＤＰＦ下流へ通過する総量が燃焼することとした予想最大Ｏ₂減少量との差値として算出することを特徴とする。

本発明は、このように構成されているので、内燃機関運転条件の変化に対応して予想最小Ｏ₂濃度を常に安全サイドで正確に計算することができるので、検出精度の一層の向上が期待できるものである。特に、酸素濃度センサーへ付着して燃焼する物質はＤＰＦ下流へ通過する物質総量の一部であるが、予想最小Ｏ₂濃度を、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想Ｏ₂濃度と、ＤＰＦの正常作動時における排気ガス中の酸素濃度センサーへ付着して燃焼する可能性のある物質のＤＰＦ下流へ通過する総量が付着して燃焼するものと仮定した予想最大Ｏ₂減少量との差値としているので、内燃機関運転条件の変化に対応して予想最小Ｏ₂濃度を常に安全サイドで正確に計算することができるので、検出精度の一層の向上が期待できるものである。

請求項３の発明のように、好ましくは、前記判断手段は、前記内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想排気微粒子（ＰＭ）発生量に応じて設定される、前記予想最小Ｏ₂濃度と前記検出Ｏ₂濃度との差値の異常判断閾値に基づいて前記異常の有無を判断する判断手段であることを特徴とする。

本発明は、このように構成されているので、内燃機関運転条件が時々刻々変化することにより大きく変化する排気微粒子（ＰＭ）の発生量に応じてＤＰＦの異常判断のための閾値を設定していることにより、ＤＰＦの異常判断の精度の著しい向上に寄与するという効果を奏するものである。

次に、図１〜図３に基づき本発明の実施形態を説明する。
図１は、内燃機関（ディーゼルエンジン）のシステム全体を示す全体構成図である。１は内燃機関であり、インジェクタ２より高圧燃料が燃焼室３に噴射される。４は吸気通路であり、５は排気通路である。吸気通路４の上流側にはエアフロメータ７が配設され、吸気通路４内にはスロットル8が配設され、その下流には吸気通路4内の吸気圧或いは吸気温を検出する吸気圧センサー9及び吸気温センサー１０が配設されている。排気通路５にはＤＰＦ６が配設され、その下流には排気ガス中のＯ₂濃度を検出する酸素濃度センサー１２が配設されている。なお、コンプレッサーなどは図から省略されている。

エアフロメータ７、吸気圧センサー9、吸気温センサー１０及び酸素濃度センサー１２で検出される各種の空気系の内燃機関運転条件情報は、内燃機関全体のシステムを制御するエレクトロニックコントロールユニット１６（以下、「ＥＣＵ１６」という。）に常時出力されている。また、上記センサーの外に、内燃機関１の回転角に同期して信号を出力する回転角センサー１１、内燃機関１の冷却水の水温を検出する水温センサー１３、アクセルペダル１５の踏み込み量からアクセル開度を検出するアクセル開度センサー１４が配設されており、それぞれのセンサーから検出された内燃機関運転条件情報はＥＣＵ１６に出力される。なお、ＥＣＵ１６からは、各種内燃機関運転条件情報に基づき算出される燃料噴射量情報が内燃機関１に出力され、この情報に基づきインジェクタ２から燃焼室３内に燃料が噴射される。燃料噴射量情報は内燃機関運転条件情報の重要な要素の一つを構成する。

図２は、本発明によりＤＰＦの異常の有無を判断するためのフローチャートである。図２に基づいて、ＤＰＦの異常の有無の診断の流れを説明する。

始めにステップ（以下、「Ｓ」という。）１でＥＣＵ１６において各種内燃機関運転条件情報に基づいて排気ガス中の予想Ｏ₂濃度Aを算出する。具体的には、燃焼室３に流入する酸素量から燃焼室３内で消費する消費酸素量を引いた残存酸素量を算出し、それを燃焼室に流入する空気量及び燃料量の和で除することにより算出できる。なお、ＥＧＲ方式を採用している場合には、還流する排気ガスの割合、その中に占める酸素量などのデータを考慮して算出する。

次に、Ｓ２では、ＤＰＦ６が正常に作動している場合の酸素濃度センサー１２へ付着する排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素の燃焼に伴う予想最大Ｏ₂減少量ＢをＥＣＵ１６において算出する。そのためには、排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素が前記ディーゼルパティキュレートフィルタの処理後にさらに下流へ通過する総量を計算してその全てが酸素濃度センサー１２へ付着して燃焼すると仮定した場合の予想最大Ｏ₂減少量Ｂを各種内燃機関運転条件情報に基づいて計算する必要がある。排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）の発生量については、燃料噴射量、空気系の各種情報、内燃機関１の回転数などに基づいて計算される。また、排気ガス中に発生する未燃炭化水素については、これはNOx触媒に供給するための後噴射に伴うものが中心であり、後噴射燃料量、燃焼室に流入する空気量及び主噴射燃料量などから排気ガス中に含まれる未燃炭化水素の割合或いは単位量が計算される。
以上により計算された排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素の発生量について、ＤＰＦ６の処理能力に基づく経験値を勘案して、さらにＤＰＦ６下流へ通過していく排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素の総量を計算する。これらの総量がすべて酸素濃度センサー１２へ付着して燃焼すると仮定した場合の酸素消費量を計算して予想最大Ｏ₂減少量Ｂとする。

Ｓ３では、計算上予想される酸素濃度センサー１２の位置における予想最小Ｏ₂濃度ＣをＥＣＵ１６において算出する。これは、Ｃ＝Ａ―Ｂの式で計算される。

Ｓ４では、酸素濃度センサー１２により検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度とＳ３で算出された予想最小Ｏ₂濃度Ｃとの差値を算出し、差値がマイナスの場合即ち検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを下回る場合はＳ５においてＤＰＦ６に異常があるものと仮判定される。一方で、差値がプラスの場合即ち検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを上回る場合はＳ１２においてＤＰＦ６に異常はないものと判定され、直接診断終了へ移行する。

ＤＰＦ６に異常があるものと仮判定されるとＳ６に移行して、本診断或いは精密検査を行うこととなる。さらに精密に診断を行う理由は、何らかの事情で内燃機関における酸素消費が異常に高くなる場合があり、また失火などによっても過剰な未燃炭化水素が排出する可能性があるからである。

ここで、Ｓ６以下の精密診断のステップの説明に入る前に、精密診断の概要を説明する。まず、酸素濃度センサー１２への通電を停止してセンサー１２の温度を低下させる。このため、ＤＰＦに亀裂などがあるとＤＰＦ下流へ大量に通過する排気微粒子（ＰＭ）及び未燃炭化水素はセンサー１２に付着して燃焼せずに堆積していくこととなる。このような状態で一定時間経過した後にセンサー１２に再度通電すると堆積していた排気微粒子（ＰＭ）及び未燃炭化水素が燃焼することにより大量に酸素を消費して検出Ｏ₂濃度が大幅に低下することとなる。ここで、仮判定と同様に、検出Ｏ₂濃度と予想最小Ｏ₂濃度Ｃとを比較して、検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを仮判定以上に大きく下回っていれば最終的にＤＰＦ６に異常があるものと判定されることとなる。なお、さらに判定の精度を向上させる必要がある場合には、燃料無噴射時に再通電を行うようにすれば、予想最小Ｏ₂濃度Ｃが大気濃度で置き換えられるので、判定をより安定したものにすることができる。

Ｓ６では、酸素濃度センサー１２への通電を停止してよいかどうかが判断される。酸素濃度センサー１２からの出力により直接内燃機関１の制御を行うシステムの場合には、通電停止が直ちに内燃機関１の制御に影響を及ぼすため、Ｓ６における判断が重要となる。したがって、内燃機関１の運転条件が制御対象範囲外になった場合に通電停止が許可される。例えば、酸素濃度センサー１２からの出力によりＥＧＲ制御を行っている場合には、高回転或いは高負荷領域の運転条件になってＥＧＲが停止している場合に通電停止が許可される。さらに、全運転条件下で酸素濃度センサー１２からの出力により直接内燃機関１の制御を行うシステムの場合には、制御状態を、例えば、ＥＧＲ停止或いはＥＧＲバルブの開度固定などの安全側にオープン制御を行った上で通電停止を許可することとすればよい。当然のことながら、これはあくまで仮判定によって異常の可能性が高いと予測された場合に限る処置であり、常時このような処置を行うわけではない。
通電停止の許可があった場合にはＳ７で酸素濃度センサー１２への通電を停止し、通電停止の許可が出ない場合には再度Ｓ６の最初に戻り通電停止の判断をやり直すこととなる。

次に、Ｓ８において通電停止のまま所定時間を経過してよいかの判断を行う。これはＳ６の判断と同様で、内燃機関１の制御その他の事由で酸素濃度センサー１２への通電を所定時間継続して停止してよいかどうかの判断がなされる。通電停止のまま所定時間を経過してよい場合にはＳ９に移行して酸素濃度センサー１２へ再度通電され、許可されない場合は再度Ｓ６の最初に戻り通電停止の判断からやり直すこととなる。

Ｓ１０では、仮判定と同様に、再度検出された検出Ｏ₂濃度と予想最小Ｏ₂濃度Ｃとを比較して、検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを仮判定以上に大きく下回っていれば最終的にＤＰＦに異常があるものと判定されることとなる。具体的には、再度検出された検出Ｏ₂濃度と後述する異常判断閾値即ち予想最小Ｏ₂濃度Ｃから一定の判定マージンを控除した値との差値を計算し、差値がマイナスの場合即ち検出Ｏ₂濃度が異常判断閾値を下回る場合はＳ１１においてＤＰＦ６に異常があるものとの判定が確定し、診断が終了する。一方で、差値がプラスの場合即ち検出Ｏ₂濃度が異常判断閾値を上回る場合はＳ１３においてＤＰＦ６に異常はないものと判定され、ＤＰＦ異常との仮判定はキャンセルされて診断終了へ移行する。

ところで、ＤＰＦ６が正常に作動している場合でも、排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）の発生量が多い場合には、酸素濃度センサー１２への通電を所定時間停止しておけば一定量の排気微粒子（ＰＭ）が酸素濃度センサー１２に付着することとなる。このため、排気ガス中の排気微粒子（ＰＭ）の発生量の多少にかかわらず常に再度検出された検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを下回っていればＤＰＦ６に異常ありと判断していては排気微粒子（ＰＭ）の発生量が多い場合には判断を誤る場合が生じてしまう。したがって、再度検出された検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度Ｃを常に一定範囲以上下回っている場合のみＤＰＦに異常があると判断するほうが合理的である。即ち、予想最小Ｏ₂濃度Ｃから一定の判定マージンを控除した異常判断閾値を設定することが望ましい。しかも、異常判断閾値は、内燃機関１の運転条件により、即ち、発生する排気微粒子（ＰＭ）の量に対応してそれぞれ適切な値を設定することが最も好ましい。
具体的には、予め実験データを取得することにより、排気微粒子（ＰＭ）発生量とそれに対応した異常判断閾値との関係のマップを作成しておいてＥＣＵ１６に入力しておく。ＥＣＵ１６では内燃機関運転条件情報から排気微粒子（ＰＭ）発生量を常時計算し、マップにより排気微粒子（ＰＭ）発生量に対応して設定されている異常判断閾値と検出Ｏ₂濃度との差値を計算するように構成する。

図３は、本発明の各種データの相互関係に基づきＤＰＦの異常の有無を判断するイメージ図である。図３の左側から右側へ時系列に、ＤＰＦの状態、内燃機関の状態、酸素濃度センサー検出Ｏ₂濃度、予想最小Ｏ₂濃度、酸素濃度センサーの通電状態のそれぞれが変化している。図３の中央付近で、ＤＰＦに異常が発生し、ＤＰＦの亀裂から大量に通過し始めた排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素が酸素濃度センサーに付着して燃焼するために酸素濃度センサー検出Ｏ₂濃度が下降する。やがて検出Ｏ₂濃度が予想最小Ｏ₂濃度を下回った時点でＤＰＦ異常の仮判定がなされる。その後、酸素濃度センサーへの通電を所定期間停止する。その間に酸素濃度センサーには排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素が順次堆積していく。所定期間経過後再び酸素濃度センサーに通電すると、一時酸素濃度センサーにおける燃焼がなかったために高い位置に戻っていた検出Ｏ₂濃度が、堆積していた排気微粒子（ＰＭ）及び未撚炭化水素が燃焼することにより、急激に下降して異常判定閾値を下回ることになる。この時点でＤＰＦの異常の判定が確定する。

本発明の内燃機関用排気ガス浄化装置は、以上説明したとおり、内燃機関の排気通路にＤＰＦとその下流に配設された酸素濃度センサーとを備え、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想最小Ｏ₂濃度と酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度との差値を算出し、且つ予想最小Ｏ₂濃度を、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想Ｏ₂濃度と、内燃機関運転条件情報から計算される、ＤＰＦの正常作動時における排気ガス中の酸素濃度センサーへ付着して燃焼する可能性のある物質のＤＰＦ下流へ通過する総量が燃焼することとした予想最大Ｏ₂減少量との差値として算出する算出手段を有し、この算出手段により算出された差値に基づいて、且つ、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想排気微粒子（ＰＭ）発生量に応じて設定される、予想最小Ｏ₂濃度と検出Ｏ₂濃度との差値の異常判断閾値に基づいてＤＰＦの亀裂などの異常の有無を判断する判断手段を備えていることを特徴とするものである。
本発明は、このように構成されているので、従来の、ＤＰＦ下流の排気温度が異常に高温になったことを検出する方法、或いは、ＤＰＦ前後の排気圧力の差が通常よりも小さくなったことを検出する方法に比較して、酸素濃度センサーにより測定された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度の低下状況を判断するのみで、ＤＰＦの亀裂などの異常の有無を、簡単且つ確実に判断できるものである。
また、内燃機関運転条件が時々刻々変化しても、変化する内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想最小Ｏ₂濃度に対してその時点の酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度との差値によりＤＰＦの異常の有無を判断することとなり、しかも、常に内燃機関運転条件の変化に対応して予想最小Ｏ₂濃度を常に安全サイドで正確に計算することができるので、十分な検出精度、更には十分な検出頻度で簡単にＤＰＦの異常の有無を判断できるという効果を奏するものである。

内燃機関（ディーゼルエンジン）の制御システムを示す全体構成図である。本発明によりＤＰＦの異常の有無を判断するためのフローチャートである。本発明の各種データの相互関係に基づきＤＰＦの異常の有無を判断するイメージ図である。

符号の説明

１内燃機関（エンジン）
２インジェクタ
３燃焼室
４吸気通路
５排気通路
６ＤＰＦ
７エアフロメータ
８スロットル
９吸気圧センサー
１０吸気温センサー
１１回転角センサー
１２酸素濃度センサー
１３冷却水温センサー
１４アクセル開度センサー
１５アクセルペダル
１６ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタとその下流に配設された酸素濃度センサーとを備えた内燃機関用排気ガス浄化装置において、
前記酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の検出Ｏ₂濃度に基づき、前記ディーゼルパティキュレートフィルタにおける、ＰＭを補足するように設定された設定隙間を外れて隙間拡大する異常の有無を判断する判断手段を備え、
前記判断手段は、内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想最小Ｏ ₂ 濃度と前記酸素濃度センサーにより検出された排気ガス中の前記検出Ｏ ₂ 濃度との差値を算出する算出手段を有し、
前記算出手段により算出された前記差値に基づいて、前記異常の有無を判断する判断手段であることを特徴とする内燃機関用排気ガス浄化装置。
前記算出手段は、前記予想最小Ｏ₂濃度を、前記内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想Ｏ₂濃度と、前記内燃機関運転条件情報から計算される、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの正常作動時における排気ガス中の前記酸素濃度センサーへ付着して燃焼する可能性のある物質の前記ディーゼルパティキュレートフィルタ下流へ通過する総量が燃焼することとした予想最大Ｏ₂減少量との差値として算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気ガス浄化装置。
前記判断手段は、前記内燃機関運転条件情報から計算される排気ガス中の予想排気微粒子（ＰＭ）発生量に応じて設定される、前記予想最小Ｏ₂濃度と前記検出Ｏ₂濃度との差値の異常判断閾値に基づいて前記異常の有無を判断する判断手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス浄化装置。