JP5553114B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ＝Particulate Matter）の量を検出するＰＭセンサを備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（日本特開２００９−１４４５７７号公報）に開示されているように、電気抵抗式のＰＭセンサを備えた内燃機関の制御装置が知られている。従来技術のＰＭセンサは、絶縁材上に設けられた一対の電極を備えており、これらの電極間に排気ガス中のＰＭが捕集されると、その捕集量に応じて電極間の抵抗値が変化する構成となっている。これにより、従来技術では、電極間の抵抗値に基いて排気ガス中のＰＭ量を検出するようにしている。また、従来技術では、排気ガス中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタの下流側にＰＭセンサを配置し、ＰＭの検出量に基いてパティキュレートフィルタの故障診断を行う構成としている。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

日本特開２００９−１４４５７７号公報 日本特開２００４−２５１６２７号公報 日本特開２００３−３１４２４８号公報 日本特開２０００−２８２９４２号公報

ところで、従来技術では、電気抵抗式のＰＭセンサを用いてパティキュレートフィルタの故障診断を行う構成としている。しかしながら、電気抵抗式のＰＭセンサにおいては、センサの個体差や設置環境等により零点出力や出力感度のばらつきが生じ易い。このため、従来技術では、ＰＭセンサの特性ばらつきにより検出精度が低下し、パティキュレートフィルタの故障診断を安定的に行うのが難しいという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ＰＭセンサの特性ばらつきを適切に補正することができ、センサの検出精度を高めて信頼性を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、排気ガス中の粒子状物質を捕集して当該捕集量に応じた検出信号を出力する検出部と、前記検出部を加熱するためのヒータとを有するＰＭセンサと、
前記ＰＭセンサの検出部に所定量の粒子状物質が捕集された場合に、前記ヒータに通電することにより当該粒子状物質を燃焼させて除去するＰＭ燃焼手段と、
前記ＰＭ燃焼手段により前記ヒータへの通電を開始してから粒子状物質の燃焼に必要な所定の時間が経過したときに、前記検出部から出力される検出信号を前記ＰＭセンサの零点出力として取得し、当該零点出力に基いて任意の時点における検出信号を補正する零点補正手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、前記零点補正手段は、前記ヒータへの通電時に取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との差分に基いて任意の時点における検出信号を補正する構成としている。

第３の発明は、前記零点補正手段により取得した零点出力が所定の零点許容範囲から外れている場合に、前記ＰＭセンサが故障したと判定する零点異常判定手段を備える。

第４の発明によると、前記ＰＭセンサは、前記検出部を構成する一対の電極間に捕集した粒子状物質の量に応じて当該電極間の抵抗値が変化することにより、前記抵抗値に応じた検出信号を出力する電気抵抗式のセンサであり、
前記零点異常判定手段により前記ＰＭセンサを故障と判定した場合に、前記零点補正手段により取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との大小関係に基いて故障の原因を推定する故障原因推定手段を備える。

第５の発明は、前記ＰＭ燃焼手段により前記ヒータに通電した状態で、前記検出信号が第１の信号値から当該信号値と異なる第２の信号値へと変化するまでに前記ヒータに供給した電力に対応するパラメータを計測し、当該パラメータに基いて粒子状物質の捕集量に対する前記検出信号の出力感度を補正する感度補正手段を備える。

第６の発明によると、前記感度補正手段は、前記パラメータが大きいほど値が増大する感度係数を算出し、前記検出部から出力された感度補正前の検出信号に対して前記感度係数を乗算することにより感度補正後の検出信号を算出する構成とし、
前記感度係数が所定の感度許容範囲から外れている場合に、前記ＰＭセンサが故障したと判定する感度異常判定手段を備える。

第１の発明によれば、ＰＭセンサを通常通り作動させた状態でも、ＰＭ燃焼手段により検出部のＰＭを除去するタイミングを利用して、センサ固有のばらつきを含む零点出力をスムーズに取得することができる。しかも、ヒータに通電してから所定の時間が経過してＰＭの除去が完了したときに零点出力を取得するので、例えば排気ガス中に多量のＰＭが存在する状況でも、検出部に新たなＰＭが付着するのを阻止しつつ、零点出力を正確に取得することができる。そして、取得した零点出力に基いてＰＭセンサの零点補正を容易に行うことができ、センサの検出精度を高めることができる。

第２の発明によれば、零点補正手段は、ヒータへの通電時に取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との差分に基いて、任意の時点における検出信号を補正することができる。

第３の発明によれば、零点異常判定手段は、零点補正手段によるＰＭセンサの零点補正を利用して、零点出力のばらつきが正常な範囲内であるかを判定することができる。これにより、特別な故障診断回路等を装備しなくても、零点出力が大幅にずれるようなＰＭセンサの故障を容易に検出することができる。そして、故障の検出時には、制御や警報等により速やかに対処することができる。

第４の発明によれば、故障原因推定手段は、零点補正手段により取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との大小関係に基いて、故障の原因を推定することができる。これにより、故障の原因に応じて的確な対策を実施することができる。

第５の発明によれば、ＰＭセンサを通常通り作動させた状態でも、ＰＭ燃焼手段により検出部のＰＭを燃焼させるタイミングを利用して、センサの感度補正を行うことができる。これにより、ＰＭセンサの零点及び感度のばらつきをそれぞれ補正することができ、センサの検出精度を確実に向上させることができる。

第６の発明によれば、感度補正手段によるＰＭセンサの感度補正を利用して、出力感度のばらつきが正常な範囲内であるかを判定することができる。これにより、特別な故障診断回路等を装備しなくても、出力感度が大幅にずれるようなＰＭセンサの故障を容易に検出することができる。そして、故障の検出時には、制御や警報等により速やかに対処することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 ＰＭセンサの構成を概略的に示す構成図である。 ＰＭセンサを含む検出回路の構成を示す等価回路図である。 ＰＭセンサの出力特性を示す特性線図である。 零点補正制御の内容を示す説明図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、零点許容範囲の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。 図８中の故障原因推定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３において、感度補正制御の内容を説明する説明図である。 ヒータの供給電力積算量に基いてセンサの感度係数を算出するための特性線図である。 本発明の実施の形態３において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４において、感度許容範囲の一例を示す説明図である。 ヒータ出力抑制制御の内容を示す説明図である。 本発明の実施の形態４において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１及び図６を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えており、エンジン１０の排気通路１２には、排気ガス中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタ１４が設けられている。パティキュレートフィルタ１４は、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）等を含む公知のフィルタにより構成されている。また、排気通路１２には、パティキュレートフィルタ１４の下流側で排気ガス中のＰＭ量を検出する電気抵抗式のＰＭセンサ１６が設けられている。ＰＭセンサ１６は、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)１８に接続されている。ＥＣＵ１８は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶回路と、入出力ポートとを備えた演算処理装置により構成され、エンジン１０に搭載された各種のセンサ及びアクチュエータに接続されている。

次に、図２及び図３を参照して、ＰＭセンサ１６について説明する。まず、図２は、ＰＭセンサの構成を概略的に示す構成図である。ＰＭセンサ１６は、絶縁材２０、電極２２，２２及びヒータ２６を備えている。電極２２，２２は、例えば金属材料により櫛歯状に形成され、絶縁材２０の表面側に設けられている。また、各電極２２は、互いに噛合するように配置され、所定寸法の隙間２４を介して互いに対向している。これらの電極２２は、ＥＣＵ１８の入力ポートに接続されており、電極２２間に捕集したＰＭの捕集量に応じて検出信号を出力する検出部を構成している。

ヒータ２６は、金属、セラミックス等の発熱抵抗体により構成され、例えば各電極２２を覆う位置で絶縁材２０の裏面側に設けられている。そして、ヒータ２６は、ＥＣＵ１８から通電されることにより作動し、各電極２２及び隙間２４を加熱するように構成されている。なお、ＥＣＵ１８は、ヒータ２６に印加した電圧及び電流に基いて供給電力を算出し、その算出値を時間的に積算することにより、ヒータへの供給電力積算量を算出する機能を備えている。

一方、ＰＭセンサ１６は、ＥＣＵ１８に内蔵された検出回路に接続されている。図３は、ＰＭセンサを含む検出回路の構成を示す等価回路図である。この図に示すように、検出回路の直流電圧源２８には、ＰＭセンサ１６の各電極２２（抵抗値Ｒpm）と、シャント抵抗等の固定抵抗３０（抵抗値Ｒs）とが直列に接続されている。この回路構成によれば、固定抵抗３０の両端側の電位差Ｖsは、電極２２間の抵抗値Ｒpmに応じて変化するので、ＥＣＵ１８は、この電位差ＶsをＰＭセンサ１６から出力される検出信号（センサ出力）として読込むように構成されている。

本実施の形態のシステムは上述の如き構成を有するもので、次に、その基本的な作動について説明する。まず、図４は、ＰＭセンサの出力特性を示す特性線図であり、図中の実線は、センサの設計時等に予め設定される基準の出力特性を示している。なお、この図に示す出力特性は、ＰＭセンサの実際の出力特性を模式的に表したものである。図４中の実線に示すように、センサの電極２２間にＰＭが捕集されていない初期状態では、隙間２４により絶縁された電極２２間の抵抗値Ｒpmが十分に大きいため、センサ出力Ｖsは、所定の電圧値Ｖ0に保持されている。以下の説明では、この電圧値Ｖ0を零点出力の基準値と称するものとする。零点出力の基準値Ｖ0は、センサの設計時等に規定の電圧値（例えば、０Ｖ）として定められるもので、ＥＣＵ１８に予め記憶されている。

これに対し、排気ガス中のＰＭが電極２２間に捕集されると、導電性をもつＰＭにより電極２２間が導通されるため、ＰＭの捕集量が増えるにつれて電極２２間の抵抗値Ｒpmが低下する。このため、センサ出力は、ＰＭの捕集量（即ち、排気ガス中のＰＭ量）が多いほど増加するようになり、例えば図４に示すような出力特性が得られる。なお、ＰＭの捕集量が初期状態から徐々に増加して電極２２間の導通が開始されるまでの間は、捕集量が増えてもセンサ出力が変化しない不感帯となっている。

また、電極２２間に多量のＰＭが捕集された場合には、センサ出力が飽和状態となるので、ＰＭ燃焼制御を実行して電極２２間のＰＭを除去する。ＰＭ燃焼制御では、ヒータ２６に通電することにより、電極２２間のＰＭを加熱して燃焼させ、ＰＭセンサを初期状態に戻す。なお、ＰＭ燃焼制御は、例えば飽和状態に対応する所定の出力上限値よりもセンサ出力が大きくなった場合に開始され、ＰＭの除去に必要な所定の時間が経過するか、またはセンサ出力が零点出力の近傍で飽和したときに終了される。

一方、ＥＣＵ１８は、ＰＭセンサ１６の出力に基いてパティキュレートフィルタ１４の故障を診断するフィルタ故障判定制御を行う。パティキュレートフィルタ１４の故障時には、そのＰＭ捕集能力が低下して当該フィルタの下流側に流出するＰＭの量が増加するので、ＰＭセンサ１６の検出信号が大きくなる。このため、フィルタ故障判定制御では、例えばセンサ出力が所定の故障判定値（フィルタ正常時のセンサ出力）よりも増加した場合に、パティキュレートフィルタ１４が故障したものと診断する。

［本実施の形態の特徴］
電気抵抗式のＰＭセンサ１６においては、図４中に仮想線で示すように、基準の出力特性に対する零点出力のばらつき（１）や出力感度のばらつき（２）が生じ易い。零点出力Ｖ0のばらつきは、検出回路のばらつき等に起因することが多い。また、出力感度（ＰＭ量の変化に対するセンサ出力の変化割合）のばらつきは、排気通路１２におけるＰＭセンサ１６の搭載位置や向きのばらつき、または電極２２間の電界強度分布のばらつき等に起因することが多い。このように、センサ特性のばらつきが存在する状態では、パティキュレートフィルタ１４の故障を正確に診断するのが難しい。このため、本実施の形態では、以下に述べる零点補正制御を実行する。

（零点補正制御）
この制御では、ＰＭ燃焼制御を利用して零点出力Ｖ0のばらつきを補正する。具体的に述べると、零点補正制御では、まず、ＰＭ燃焼制御によりヒータ２６への通電を開始してから、電極２２間のＰＭを完全に燃焼させるのに必要な所定の通電時間が経過するまで待機する。この通電時間が経過した時点において、ＰＭセンサ１６は、電極２２間のＰＭが除去された初期状態となっている。このため、零点補正制御では、上記通電時間が経過したときに、ヒータ２６への通電を継続しつつ、電極２２から出力される検出信号（センサ出力Ｖs）をＰＭセンサ１６の零点出力Ｖeとして取得し、この零点出力Ｖeをばらつきの学習値として不揮発性メモリ等に記憶する。図５は、零点補正制御の内容を示す説明図である。零点出力の学習値Ｖeと基準値Ｖ0との差分ΔＶ（＝Ｖe−Ｖ0）は、図５に示すように、零点出力のばらつきに相当している。

次に、前述のフィルタ故障判定制御等において、ＰＭセンサ１６の出力を用いる場合には、上記学習結果に基いてセンサ出力を補正する。具体的には、任意の時点におけるセンサ出力Ｖsと、零点出力の基準値Ｖ0と、零点出力の学習値Ｖeとに基いて、下記（１），（２）式により零点補正後のセンサ出力Ｖoutを算出する。そして、このセンサ出力Ｖoutに基いてフィルタ故障判定制御を実行する。

ΔＶ＝Ｖe−Ｖ0 ・・・（１）
Ｖout＝Ｖs−ΔＶ ・・・（２）

上記制御によれば、ＰＭセンサ１６を通常通り作動させた状態でも、ＰＭ燃焼制御により電極２２間のＰＭを除去するタイミングを利用して、センサ固有のばらつきを含む零点出力をスムーズに取得することができる。しかも、本実施の形態では、ヒータ２６に通電してから所定の通電時間が経過してＰＭの除去が完了した直後（好ましくは、ＰＭの除去が完了してもヒータ２６に通電している状態）において、零点出力Ｖeを取得する。このため、例えば排気ガス中に多量のＰＭが存在する状況でも、電極２２間に新たなＰＭが付着するのを阻止しつつ、零点出力Ｖeを正確に取得することができる。

そして、取得した零点出力Ｖeと、予め記憶した零点出力の基準値Ｖ0とに基いて、任意の時点におけるセンサ出力Ｖsを適切に補正することができ、零点出力のばらつきがセンサ出力に与える影響を確実に除去することができる。従って、本実施の形態によれば、既存のＰＭ燃焼制御を利用して、ＰＭセンサ１６の零点補正を容易に行うことができる。そして、ＰＭセンサ１６の検出精度を高めて、フィルタ故障判定制御等を正確に実行することができ、システム全体の信頼性を向上させることができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
次に、図６を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図６は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図６に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、エンジンの始動後であり、かつ、ＰＭセンサ１６が正常であるか否か（センサ出力の異常やヒータの断線が生じていないかどうか）を判定する。

次に、ステップ１０２では、ＰＭ燃焼制御の実行タイミングが到来したか否かを判定する。具体的には、例えばセンサ出力が飽和状態に対応する所定の上限値を超えたか否かを判定する。この判定が成立した場合には、ステップ１０４において、ヒータ２６への通電を開始する。また、ステップ１０２の判定が不成立の場合には、後述のステップ１１４に移行する。次に、ステップ１０６では、ＰＭ燃焼制御の終了タイミングが到来したか否か（ヒータ２６への通電を開始してから所定の通電時間が経過したか否か）を判定し、この判定が成立するまで通電を継続する。そして、前記通電時間が経過した場合には、ステップ１０８において、ヒータ２６への通電状態を保持つつ、センサ出力を読込み、その読込値を零点出力の学習値Ｖeとして記憶する。そして、ステップ１１０では、ヒータ２６への通電を終了する。

次に、ステップ１１２では、ヒータ２６への通電を終了した後に所定時間が経過したか否かを判定し、この判定が成立するまで待機する。なお、ステップ１１２は、ＰＭセンサ１６の温度が十分に低下してＰＭの捕集効率が高くなるまで、センサ出力を使用せずに待機することを目的としている。そして、ステップ１１２の判定が成立した場合には、ステップ１１４において、ＰＭセンサ１６の使用を開始する。即ち、ステップ１１４では、センサ出力を読込み、その値に対して前記（１），（２）式により零点補正を実行する。そして、零点補正後のセンサ出力Ｖoutを用いてフィルタ故障判定制御等を実行する。

なお、前記実施の形態１では、図６中のステップ１０２，１０４，１０６，１１０が請求項１におけるＰＭ燃焼手段の具体例を示し、ステップ１０８，１１４が請求項１，２における零点補正手段の具体例を示している。

実施の形態２．
次に、図７乃至図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態１と同様の構成及び制御において、零点異常判定制御を実行することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態２の特徴］
本実施の形態では、零点補正制御により取得した零点出力Ｖeを利用して、零点異常判定制御を実行する。この制御は、零点出力Ｖeが所定の範囲（以下、零点許容範囲と称す）から外れている場合に、ＰＭセンサ１６が故障したと判定するもので、零点許容範囲は、センサや検出回路の設計仕様等に基いて予め設定されている。図７は、本発明の実施の形態２において、零点許容範囲の一例を示す説明図である。この図に示すように、零点許容範囲は所定の上限値Ｖzmaxと下限値とを有し、下限値は、例えば前述の基準値Ｖ0と等しい値に設定されている。そして、零点出力Ｖeが上限値Ｖzmaxよりも大きい場合（Ｖe＞Ｖzmax）、及び零点出力Ｖeが基準値Ｖ0よりも小さい場合（Ｖe＜Ｖ0）には、後述の原因によりセンサの機能が低下したと考えられるので、ＰＭセンサが故障したと判定する。

また、零点異常判定制御では、ＰＭセンサを故障と判定した場合に、零点出力Ｖeと前記基準値Ｖ0との大小関係に基いて故障の原因（種類）を推定する。具体的に述べると、まず、零点出力Ｖeが上限値Ｖzmaxよりも大きい場合（即ち、零点出力Ｖeが前記零点許容範囲から外れていて、かつ、基準値Ｖ0よりも大きい場合）には、ＰＭ燃焼制御を実行しても、電極２２間の抵抗値が十分に低下しない現象が生じている。この場合には、例えばヒータ２６の故障やＰＭの固着によってＰＭ除去能力が低下するか、または異物により電極間が短絡される等の故障が生じていると推定する。一方、零点出力Ｖeが基準値Ｖ0よりも小さい場合には、電極２２間の抵抗値がＰＭセンサの使用開始時よりも増加しているので、センサを使用するうちに電極２２が消耗して電極間隔が広がる現象（電極凝集）等の故障が生じていると推定する。

上記制御によれば、零点補正制御を利用して、零点出力Ｖeのばらつきが正常な範囲内であるかを判定することができる。これにより、特別な故障診断回路等を装備しなくても、零点出力が大幅にずれるようなＰＭセンサ１６の故障を容易に検出することができ、故障の検出時には、制御や警報等により速やかに対処することができる。しかも、本実施の形態によれば、零点出力と基準値との大小関係に基いて故障の原因を推定することができ、故障の原因に応じて的確な対策を実施することができる。

［実施の形態２を実現するための具体的な処理］
次に、図８及び図９を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。まず、図８は、本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図８に示すルーチンでは、まず、ステップ２００〜２０８において、実施の形態１（図６）のステップ１００〜１０８と同様の処理を実行する。

次に、ステップ２１０では、センサ出力Ｖeが零点許容範囲内に収まっているか否か（即ち、センサ出力Ｖeが上限値Ｖzmax以下で、かつ基準値Ｖ0以上であるか否か）を判定する。この判定が成立した場合には、ＰＭセンサ１６が正常であると判定し、ステップ２１２において、ヒータ２６への通電を終了する。そして、ステップ２１４，２１６では、実施の形態１のステップ１１２，１１４と同様の処理を実行する。

一方、ステップ２１０において、センサ出力Ｖeが零点許容範囲から外れていると判定した場合（即ち、センサ出力Ｖeが上限値Ｖzmaxよりも大きいか、または基準値Ｖ0よりも小さい場合）には、まず、ステップ２１８において、ＰＭセンサを故障と判定する。そして、ステップ２２０では、後述の故障原因推定処理を実行し、ステップ２２２では、ヒータ２６への通電を終了する。

次に、図９を参照して故障原因推定処理について説明する。図９は、図８中の故障原因推定処理を示すフローチャートである。故障原因推定処理では、まず、ステップ３００において、センサ出力Ｖeが上限値Ｖzmaxよりも大きいか否かを判定する。そして、この判定が成立した場合には、ステップ３０２において、ＰＭセンサ１６の故障がＰＭ除去能力の低下、または電極２２間の短絡等により生じたものであると推定する。一方、ステップ３００の判定が不成立の場合には、ステップ３０４において、センサ出力Ｖeが基準値Ｖ0よりも小さいか否かを判定する。そして、この判定が成立した場合には、前述した電極凝集等に起因した故障であると推定する。また、ステップ３０４の判定が不成立の場合には、その他の原因により故障したものと推定する。

なお、前記実施の形態２では、図８中のステップ２０２，２０４，２０６，２１２，２２２が請求項１におけるＰＭ燃焼手段の具体例を示し、ステップ２０８、２１６が請求項１，２における零点補正手段の具体例を示している。また、ステップ２１０，２１８は、請求項３における零点異常判定手段の具体例を示し、図９中のステップ３００〜３０８は、請求項４における故障原因推定手段の具体例を示している。

また、実施の形態２では、零点許容範囲の下限値を、零点出力の基準値Ｖ0と等しい値に設定するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、零点許容範囲の下限値は、前記基準値Ｖ0と異なる任意の値に設定してよいものである。

実施の形態３．
次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、感度補正制御を実行することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態３の特徴］
本実施の形態では、ＰＭ燃焼制御を利用してセンサの出力感度のばらつきを補正する感度補正制御を実行する。図１０は、本発明の実施の形態３において、感度補正制御の内容を説明する説明図である。この図に示すように、ＰＭセンサの作動時には、時間が経過するにつれてＰＭの捕集量が増加し、これに伴ってセンサ出力も増加する。そして、センサ出力が飽和状態に対応する所定の出力上限値Ｖhに達すると、ＰＭ燃焼制御が実行され、ヒータ２６への通電が開始される。この状態では、電極２２間のＰＭが燃焼して徐々に除去されるので、センサ出力は、零点出力に向けて徐々に減少する。

ここで、センサの出力感度（ＰＭ捕集量の変化に対するセンサ出力の変化の割合）が高いＰＭセンサでは、図１０中に実線で示すように、ヒータへの通電（ＰＭの除去）が進むにつれて、センサ出力が比較的速やかに減少する。これに対し、出力感度が低いセンサでは、図１０中に点線で示すように、出力感度が高いセンサと同様の条件でヒータに通電しても、センサ出力が緩やかに減少する。換言すれば、センサ出力を一定量だけ変化させるのに必要なヒータへの供給電力量は、センサの出力感度が低いほど増加する傾向がある。感度補正制御では、この傾向を利用して出力感度のばらつきを補正する。

具体的に述べると、感度補正制御では、まず、ＰＭ燃焼制御によりヒータ２６に通電した状態で、センサ出力が第１の信号値Ｖ1から第２の信号値Ｖ2に変化するまでの期間Ｔを検出する（Ｖ1＞Ｖ2）。なお、信号値Ｖ1，Ｖ2の差分は、ばらつきの補正精度を高めるために出来るだけ大きく設定するのが好ましい。次に、期間Ｔ内にヒータ２６に供給した電力の総和である供給電力積算量Ｗを計測し、この供給電力積算量Ｗに基いて出力感度の補正係数である感度係数Ｋを算出する。感度係数Ｋは、感度補正前のセンサ出力に対して乗算されることにより感度補正後のセンサ出力を算出する補正係数である。

図１１は、ヒータの供給電力積算量に基いてセンサの感度係数を算出するための特性線図を示している。この図に示すように、感度係数Ｋは、計測された供給電力積算量Ｗが所定の基準値Ｗ0と等しい場合に、「Ｋ＝１」となるように設定されている。この基準値Ｗ0は、例えば実施の形態１（図７）で述べた基準の出力特性に対応するものである。そして、感度係数Ｋは、供給電力積算量Ｗが基準値Ｗ0よりも大きいほど、即ち、センサの出力感度が低いほど増加するように設定されている。このように算出された感度係数Ｋは、出力感度のばらつきが反映された学習値として不揮発性メモリ等に記憶される。

次に、前述のフィルタ故障判定制御等において、ＰＭセンサ１６の出力を用いる場合には、上記学習結果に基いてセンサ出力を補正する。具体的には、任意の時点におけるセンサ出力Ｖsと、感度係数の学習値Ｋと、前記（１），（２）式とに基いて、下記（３）式によりセンサ出力Ｖoutを算出する。このセンサ出力Ｖoutは、前記零点補正制御及び感度補正制御によって補正された最終的なセンサ出力であり、フィルタ故障判定制御等に用いられる。

Ｖout＝｛Ｖs−（Ｖe−Ｖ0）｝＊Ｋ ・・・（３）

上記制御によれば、ＰＭセンサ１６を通常通り作動させた状態でも、ＰＭ燃焼制御により電極２２間のＰＭを燃焼させるタイミングを利用して、センサ固有のばらつきを含む感度係数Ｋをスムーズに算出することができる。そして、算出した感度係数Ｋに基いて、任意の時点におけるセンサ出力Ｖsを適切に補正することができ、出力感度のばらつきがセンサ出力に与える影響を確実に除去することができる。従って、本実施の形態によれば、既存のＰＭ燃焼制御を利用して、ＰＭセンサ１６の感度補正を容易に行うことができ、センサの検出精度を確実に向上させることができる。

なお、上記説明では、期間Ｔ内の供給電力積算量Ｗに基いてセンサの出力感度を補正する構成とした。しかし、ヒータ２６に対する電力の供給状態を時間的に一定とするならば、供給電力積算量Ｗは、期間Ｔの時間長（経過時間）ｔと比例することになる。従って、本発明では、ヒータ２６に対して時間的に一定の電力を供給しつつ、経過時間ｔに基いて出力感度を補正する構成としてもよい。

具体的に述べると、感度補正制御の実行時には、ヒータ２６に供給する電圧及び電流を一定に保持した状態で、センサ出力が信号値Ｖ1から信号値Ｖ2に変化するまでの期間Ｔにかかった経過時間ｔを計測する。また、図１１に示すデータの横軸を経過時間ｔに代えたデータを予め用意しておき、このデータと、経過時間ｔの計測値とに基いて感度係数Ｋを算出すればよい。この構成によれば、ヒータ２６への供給電力を積算しなくても、時間を計測するだけで感度補正制御を実行することができ、制御を簡略化することができる。

［実施の形態３を実現するための具体的な処理］
次に、図１２を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図１２は、本発明の実施の形態３において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図１２に示すルーチンでは、まず、ステップ４００〜４０４において、実施の形態１（図６）のステップ１００〜１０４と同様の処理を実行する。これにより、ヒータ２６が作動し、センサ出力が低下し始めるので、ステップ４０６では、センサ出力が第１の検出値Ｖ1まで低下したか否かを判定し、この判定が成立するまで待機する。

ステップ４０６の判定が成立した場合には、ステップ４０８において、ヒータ２６への供給電力を積算し、供給電力積算量Ｗの算出を開始する（または、ヒータへの電力供給を時間的に一定に保持した状態で、経過時間の計測を開始する）。次に、ステップ４１０では、センサ出力が第２の検出値Ｖ2まで低下したか否かを判定し、この判定が成立するまで上記計測を継続する。ステップ４１０の判定が成立した場合には、ステップ４１２において、供給電力積算量Ｗ（経過時間）の計測を終了する。そして、ステップ４１４では、前記計測結果に基いて感度係数Ｋを算出し、その値を学習値として記憶する。

次に、ステップ４１６では、ＰＭ燃焼制御の終了タイミングが到来したか否かを判定し、この判定が成立するまで通電を継続する。そして、前記通電時間が経過した場合には、ステップ４１８において、ヒータ２６への通電を終了し、その後に所定時間が経過して電極２２の温度が十分に低下してから、ＰＭセンサによるＰＭの計測を開始する。次に、ステップ４２０では、センサ出力を読込み、その値に対して前記（３）式により零点及び感度の補正を実行する。そして、補正後のセンサ出力Ｖoutを用いてフィルタ故障判定制御等を実行する。

なお、前記実施の形態３では、図１２中のステップ４０２，４０４，４１６，４１８が請求項１におけるＰＭ燃焼手段の具体例を示し、ステップ４０６，４０８，４１０，４１２，４１４，４２０は、請求項５，６における感度補正手段の具体例を示している。

実施の形態４．
次に、図１３乃至図１５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、前記実施の形態３と同様の構成及び制御に加えて、感度異常判定制御を実行することを特徴としている。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

［実施の形態４の特徴］
本実施の形態では、感度補正制御により取得した感度係数Ｋを利用して、感度異常判定制御を実行する。この制御は、感度係数Ｋが所定の範囲（以下、感度許容範囲と称す）から外れている場合に、ＰＭセンサ１６が故障したと判定するもので、感度許容範囲は、センサや検出回路の設計仕様等に基いて予め設定されている。図１３は、本発明の実施の形態４において、感度許容範囲の一例を示す説明図である。この図に示すように、感度許容範囲は所定の上限値Ｖkmaxと下限値Ｖkminとを有している。そして、感度係数Ｋが上限値Ｖkmaxよりも大きい場合（Ｋ＞Ｖkmax）、及び感度係数Ｋが下限値Ｖkminよりも小さい場合（Ｋ＜Ｖkmin）には、センサの機能が低下したと考えられるので、ＰＭセンサが故障したと判定する。

上記制御によれば、感度補正制御を利用して、出力感度のばらつきが正常な範囲内であるかを判定することができる。これにより、特別な故障診断回路等を装備しなくても、出力感度が大幅にずれるようなＰＭセンサ１６の故障を容易に検出することができ、故障の検出時には、制御や警報等により速やかに対処することができる。

また、感度補正制御や感度異常判定制御を実行する場合には、ヒータ２６の出力を通常よりも抑制するヒータ出力抑制制御を実行するのが好ましい。図１４は、ヒータ出力抑制制御の内容を示す説明図である。この制御は、通常のＰＭ燃焼制御を行う場合（感度補正制御の非実行時）と比較して、ヒータ２６への供給電力を例えば７０％程度に抑制し、電極２２間のＰＭをゆっくりと燃焼させる。供給電力を抑制する具体的な方法としては、例えばＰＷＭ等の手段によりヒータへの印加電圧を低下させるか、またはヒータの温度制御を行うときに目標温度を低下させるのが好ましい。

ヒータ出力抑制制御によれば、次のような作用効果を得ることができる。まず、通常のＰＭ燃焼制御のように、ヒータ２６を最大出力（１００％）で作動させると、電極２２間のＰＭが瞬間的に燃焼して除去されるので、センサ出力は、信号値Ｖ１から信号値Ｖ2に短時間で変化する。この状態では、出力感度が高いセンサと低いセンサとの間において、前述した供給電力積算量Ｗや経過時間ｔに大きな差が生じ難い。これに対し、ヒータ出力抑制制御によれば、電極２２間のＰＭをゆっくりと除去し、センサ出力が信号値Ｖ１から信号値Ｖ2に変化するまでの期間Ｔを長くすることができる。これにより、出力感度が高いセンサと低いセンサとの間において、供給電力積算量Ｗや経過時間ｔの差を拡大させることができる。従って、感度補正制御においては、出力感度の補正精度を高めることができ、感度異常判定制御においては、判定精度を向上させることができる。

［実施の形態４を実現するための具体的な処理］
次に、図１５を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図１５は、本発明の実施の形態４において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジンの運転中に繰り返し実行されるものとする。図１５に示すルーチンでは、まず、ステップ５００，５０２において、実施の形態３（図１２）のステップ４００，４０２と同様の処理を実行する。そして、ステップ５０２の判定が成立した場合には、ステップ５０４において、通常のＰＭ燃焼制御を実行し、ヒータ２６への通電を開始する。続いて、ステップ５０６〜５１０では、実施の形態３のステップ４１６〜４２０と同様の処理を実行し、本ルーチンを終了する。

一方、ステップ５０２の判定が不成立の場合には、ＰＭ燃焼制御の実行タイミングではないので、ステップ５１２では、予め設定された感度補正制御の実行タイミング（例えば、エンジンを運転する毎に感度補正制御を１回等）であるか否かを判定する。そして、ステップ５１２の判定が成立した場合には、ステップ５１４〜５２４において、感度補正制御を実行する。具体的に述べると、まず、ステップ５１４では、前述のヒータ出力抑制制御を実行し、ヒータ２６への通電を開始する。これにより、ヒータ２６が作動し、センサ出力が低下し始めるので、ステップ５１６〜５２４では、実施の形態３のステップ４０６〜４１４と同様の処理を実行し、感度係数Ｋを算出して記憶する。

次に、ステップ５２６では、算出した感度係数Ｋが感度許容範囲内であるか否かを判定する。具体的に述べると、ステップ５２６では、感度許容範囲の上限値Ｖkmaxと下限値Ｖkminに対して、Ｖkmax≧Ｋ≧Ｖkminが成立するか否かを判定する。この判定が成立した場合には、感度係数Ｋが正常であるから、前記ステップ５０６〜５１０を実行し、本ルーチンを終了する。一方、ステップ５２６の判定が不成立の場合には、感度係数Ｋが異常であるから、ステップ５２８では、ＰＭセンサを故障と判定する。そして、ステップ５３０では、ヒータ２６への通電を終了する。

なお、前記実施の形態４では、図１５中のステップ５０２，５０４，５０６，５０８，５１４，５３０が請求項１におけるＰＭ燃焼手段の具体例を示し、ステップ５１０，５１６，５１８，５２０，５２２，５２４は、請求項５，６における感度補正手段の具体例を示している。また、ステップ５２６，５２８は、請求項６における感度異常判定手段の具体例を示している。

また、前記実施の形態１乃至４では、それぞれ個別の構成について説明した。しかし、本発明は、実施の形態１，２を組合わせた構成、実施の形態１，３を組合わせた構成、実施の形態１，３，４を組合わせた構成、実施の形態１乃至３を組合わせた構成、及び実施の形態１乃至４を組合わせた構成をそれぞれ含むものである。また、実施の形態４では、感度補正制御と感度異常判定制御とを実行する構成において、ヒータ出力抑制制御を実行するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、感度補正制御のみを実行する構成（実施の形態３）において、ヒータ出力抑制制御を実行する構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、電気抵抗式のＰＭセンサ１６を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、排気ガス中のＰＭ量を検出するためにＰＭを捕集する捕集型のＰＭセンサであれば、電気抵抗式以外のＰＭセンサに適用してもよい。即ち、本発明は、例えばＰＭの捕集量に応じて変化する検出部の静電容量を計測することにより排気ガス中のＰＭ量を検出する静電容量型のＰＭセンサや、捕集したＰＭを燃焼させるのに費やした時間や燃焼時の発熱量を計測することにより排気ガス中のＰＭ量を検出する燃焼式のＰＭセンサにも適用することができる。

１０ エンジン（内燃機関）
１２ 排気通路
１４ パティキュレートフィルタ
１６ ＰＭセンサ
１８ ＥＣＵ
２０ 絶縁材
２２ 電極（検出部）
２４ 隙間
２６ ヒータ
２８ 電圧源
３０ 固定抵抗
Ｗ 供給電力積算量（パラメータ）
ｔ 経過時間（パラメータ）

Claims (6)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集して当該捕集量に応じた検出信号を出力する検出部と、前記検出部を加熱するためのヒータとを有するＰＭセンサと、
   前記ＰＭセンサの検出部に所定量の粒子状物質が捕集された場合に、前記ヒータに通電することにより当該粒子状物質を燃焼させて除去するＰＭ燃焼手段と、
   前記ＰＭ燃焼手段により前記ヒータへの通電を開始してから粒子状物質の燃焼が完了するのに必要な所定の時間が経過し、かつ、前記通電を継続した状態において、前記検出部から出力される検出信号を前記ＰＭセンサの零点出力として取得し、当該零点出力に基いて任意の時点における検出信号を補正する零点補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記零点補正手段は、前記ヒータへの通電時に取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との差分に基いて任意の時点における検出信号を補正する構成としてなる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記零点補正手段により取得した零点出力が所定の零点許容範囲から外れている場合に、前記ＰＭセンサが故障したと判定する零点異常判定手段を備えてなる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記ＰＭセンサは、前記検出部を構成する一対の電極間に捕集した粒子状物質の量に応じて当該電極間の抵抗値が変化することにより、前記抵抗値に応じた検出信号を出力する電気抵抗式のセンサであり、
   前記零点異常判定手段により前記ＰＭセンサを故障と判定した場合に、前記零点補正手段により取得した零点出力と、予め記憶した零点出力の基準値との大小関係に基いて故障の原因を推定する故障原因推定手段を備えてなる請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記ＰＭ燃焼手段により前記ヒータに通電した状態で、前記検出信号が第１の信号値から当該信号値と異なる第２の信号値へと変化するまでに前記ヒータに供給した電力に対応するパラメータを計測し、当該パラメータに基いて粒子状物質の捕集量に対する前記検出信号の出力感度を補正する感度補正手段を備えてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記感度補正手段は、前記パラメータが大きいほど値が増大する感度係数を算出し、前記検出部から出力された感度補正前の検出信号に対して前記感度係数を乗算することにより感度補正後の検出信号を算出する構成とし、
   前記感度係数が所定の感度許容範囲から外れている場合に、前記ＰＭセンサが故障したと判定する感度異常判定手段を備えてなる請求項５に記載の内燃機関の制御装置。

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