JP5614295B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒状物質センサの検出可能期間を長く確保できるようにしたエンジンの排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンにあっては、気筒内から排出される粒状物質を、排気通路に配設した粒状物質捕集フィルタによって捕集することが行われている。この粒状物質捕集フィルタにひび割れ等の故障が生じると、粒状物質の捕集効率が悪化してしまうことになる。

例えば粒状物質捕集フィルタの故障検出のために、粒状物質捕集フィルタの下流側の排気通路に積算式の粒状物質センサを設けて、この粒状物質センサの出力を利用して粒状物質捕集フィルタが故障しているか否かを判定することが行われている（特許文献１参照）。この粒状物質センサは、複数の電極を有して、堆積粒状物質が再生によって除去された再生後の初期状態では出力電流値が０の状態とされて、この初期状態から粒状物質センサに堆積する粒状物質量が増大していくとやがて複数の電極間が堆積粒状物質によって導通されて出力電流値が出現し始め（粒状物質量が検出可能となり始めた状態）、この後は、堆積粒状物質量が多くなるのに伴って出力電流値が大きくなる。

粒状物質センサに堆積した粒状物質量が所定量よりも多くなると、粒状物質センサを例えば加熱することにより、堆積した粒状物質を除去する再生が行われることになる。そして、従来は、粒状物質センサの再生のための加熱を、あらかじめ設定した所定時間だけ行うようにする一方、この所定時間を、堆積している粒状物質が完全あるいはほぼ完全に無くなる完全再生が行われるような時間に設定していた。

特開２００９−１４４５７７号公報

粒状物質センサを完全再生した直後は、粒状物質センサの出力が無い初期状態への復帰となる。したがって、この初期状態からエンジンの運転によって堆積する粒状物質が増大して粒状物質センサから出力され始めるまでは、粒状物質量の検出が不可能な検出不可能期間になってしまうことになる。そして、この検出不可能期間は相当に長い期間となる。粒状物質センサの再生を行うことは、粒状物質センサを利用した粒状物質量の検出を行う上で不可欠となるが、この再生を行う毎に上記のような長い検出不可能期間を生じてしまい、その分粒状物質センサを利用した粒状物質捕集フィルタの故障判定を行う機会等が減少してしまうことになる。また、粒状物質センサを再生している最中も、粒状物質センサによる粒状物質量の検出が不可能な期間となるが、完全再生に要する時間はかなり長くなるので、このことも粒状物質センサによる粒状物質量の検出可能期間を短くする原因ともなる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、粒状物質センサによる粒状物質量の検出可能期間を増大させることができるようにしたエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては、基本的に、粒状物質センサの再生を、完全あるいはほぼ完全に行うことなく、粒状物質センサによって粒状物質量が検出可能な範囲内で行うようにしてある。具体的には、本発明にあっては、次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
エンジンの排気通路に、粒状物質量が増大するのに伴って出力が変化する積算式の粒状物質センサが配設されたエンジンの排気浄化装置であって、
前記粒状物質センサに堆積した粒状物質を除去して該粒状物質センサの再生を行う再生手段を備え、
前記再生手段は、前記粒状物質センサの出力値が０よりも大きい値に設定された再生終了値まで該粒状物質センサの再生を行ない、
前記排気通路に配設された粒状物質捕集フィルタと、
あらかじめ設定された前記粒状物質捕集フィルタの故障判定条件が成立したときに、前記粒状物質センサの出力に基づいて前記粒状物質捕集フィルタの故障判定を行う故障判定手段と、
をさらに備え、
前記粒状物質センサの再生中に前記故障判定条件が成立したときは、前記再生手段は該粒状物質センサの再生を中止する一方、前記故障判定手段は前記粒状物質捕集フィルタの故障判定を行う、
ようにしてある。上記解決手法によれば、粒状物質センサは、再生を終了した直後から粒状物質量を検出可能となるので、粒状物質センサの検出可能期間を従来に比して十分長く確保することができる。また、再生時間は、完全再生の場合に比して短くすることができ、この再生時間を短くできる分も合わせて粒状物質量の検出可能期間を長く確保することができる。

以上に加えて、粒状物質センサの再生中に故障判定条件が成立したときは、粒状物質センサの再生を中止して、粒状物質センサを利用した粒状物質捕集フィルタの故障判定を行なうことにより、故障判定機会を十分に確保する上で好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記再生手段は、粒状物質を電気的に加熱、除去する加熱制御式とされ、
前記再生手段は、再生に伴って前記粒状物質センサに堆積する粒状物質が減少するにしたがって、加熱のための通電量を小さくする、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、不用意に粒状物質の検出不可能な範囲まで再生し過ぎてしまう事態を確実に防止する上で好ましいものとなる。

前記再生手段は、粒状物質の検出可能範囲内での再生をあらかじめ設定した所定回数行なった後に、またはエンジン起動後の前記粒状物質センサによる初回の計測開始時の前に、粒状物質の検出不可能なレベルまで完全再生する、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、完全再生をも行うようにして、粒状物質センサによる粒状物質量の検出を常に精度よく行う等の上で好ましいものとなる。

本発明によれば、粒状物質センサによる粒状物質量の検出可能期間を長く確保することができる。

本発明の一実施形態を示す要部系統図。 粒状物質センサの要部を示す図。 粒状物質センサの再生手法を図示的に示す図。 本発明の制御例を示すフローチャート。

以下実施形態について説明するが、粒状物質をＰＭと称し、粒状物質捕集捕集フィルタをＤＰＦと称し、粒状物質センサをＰＭセンサと称し、粒状物質量をＰＭ量と称して説明する。

図１において、１はエンジンで、実施形態では自動車用ディーゼルエンジンとされている。２はエンジン１の吸気通路、３はエンジン１の排気通路である。排気通路３には、その上流側から下流側へ順次、ＤＯＣ（ＮＯをＮＯ2に酸化するディーゼル酸化触媒）４、ＤＰＦ５、ＰＭセンサ６が配設されている。

上記ＰＭセンサ６は、堆積ＰＭ量が増大するのに伴ってその出力が変化する積算式とされている。このＰＭセンサ６について図２を参照しつつ説明すると、ＰＭセンサ６は、基板１０を有し、この基板１０上に、複数の電極つまり正極１１と負極１２とが配設されている。正極１１と負極１２との間には一定電圧が印加されて、正極１１と負極１２との間を流れる電流値が、ＰＭセンサ６の出力電流値とされる。正極１１と負極１２とは通常は離間しているために非導通状態とされて、出力電流値が０とされる。基板１１上にＰＭが堆積していくと（図２において、多数の黒点で堆積したＰＭが簡略的に示される）、やがて、正極１１と負極１２とが堆積ＰＭによって導通されて、正極１１と負極１２との間に電流が流れるようになる。基板１１上に堆積するＰＭが増大するのに伴って、正極１１と負極１２との間の抵抗値が減少して、出力電流値が増大される。基板１１には、電極１１，１２とは反対側の面において、再生用（加熱用の）電極１３が配設され、また温度センサ１４が配設される。なお、図２では、再生用電極１３は、基板１０とは分離して示しているが、実際には基板１０に一体化されているものである。この再生用電極１３に通電して基板１０を加熱することにより、基板１０上に堆積したＰＭが除去される（再生）。また、温度センサ１４によって、ＰＭセンサ６の温度が検出される。

次に、本発明によるＰＭセンサ６の再生例について図３を参照しつつ説明するが、図中実線が本発明による場合を示し、破線が従来の場合を示す。まず、当初は、エンジン１が始動された直後には、ＰＭセンサ６は完全再生された初期状態とされて、その出力電流値は０である（検出不可能期間となる）。エンジン１を一定の定常運転状態で運転し続けたとき、ＰＭセンサ６に徐々にＰＭが堆積して、ｔ１時点になったときに、堆積したＰＭによって正極１１と負極１２とが導通されて、出力電流値が現れる（検出可能期間となる）。この後は、堆積するＰＭ量が増大するのに伴って、非線形的に出力電流値が増大される。

ＰＭセンサ６からの出力電流値が、あらかじめ設定された再生開始値（開始しきい値）にまで大きくなると（例えばｔ２時点）、再生用電極１３に通電されて、再生が開始される。再生開始によって堆積するＰＭが加熱、除去されていき、ＰＭセンサ６の出力電流値は再生の進行に伴って小さくなる。出力電流値が、あらかじめ設定された再生終了値（終了しきい値）にまで低下すると、再生が終了される（再生用電極１３への通電停止）。以後は、同様のことが繰り返される。ＰＭ量が検出可能となったｔ１時点以後は、本発明にあっては、再生期間を除き、上記ＰＭセンサ６によってＰＭ量を検出可能な期間となる。なお、図３では、再生終了値として、ＰＭセンサ６の検出可能範囲の下限値よりも十分大きい値に設定してあるが、このような設定は、再生に要する時間を短くする上で好ましいものとなる。また、ＰＭセンサ６の出力特性のうち、感度のよい領域を優先的に使用する設定となって、検出精度確保の点でも好ましいものとなる。

従来は、図３破線で示すように、完全再生が行われることから、再生時間を長く要し、また完全再生直後からＰＭ量の検出可能となるまでの長い検出不可能期間（図３で不感帯として示す期間）を要することになる。

再び図１において、ＰＭセンサ６の再生制御やＤＰＦ５の故障判定制御のために、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラＵが設けられている。コントローラＵには、図３に示すような再生開始値や再生終了値が記憶されている。このコントローラＵは、ＰＭセンサ６からの出力が入力される他、各種センサ２１〜２７からの信号が入力される。センサ２１は、エンジン回転数を検出するものである。センサ２２は、エンジン負荷を検出するものである。センサ２３は、燃料噴射量を検出するものである。センサ２４は、燃料噴射圧力を検出するものである。センサ２５は、酸素濃度を検出するものである。センサ２６は、排気温度を検出するものである。センサ２７は、気筒内温度を検出するものである。なお、各センサ２３〜Ｓ７で検出される要素は、別のセンサ等で検出された値に基づいて演算された値を用いることもできる。

図４は、コントローラＵによるＰＭセンサ６の再生制御およびＤＰＦ５の故障判定を行うための制御例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートについて説明するが、以下の説明でＳはステップを示す。

まず、Ｓ１において、ＰＭセンサ６に設けられた温度センサ１４（図２参照）で検出された温度が、所定の活性値（例えば１００度Ｃ）以上であるか否かが判別される。この判別でＮＯのときは、ＰＭセンサ６が活性化されていないときなので、そのままリターンされる。Ｓ１の判別でＹＥＳのときは、Ｓ２において、ＰＭセンサ６の出力（出力電流値）が読み込まれる。

Ｓ２の後、Ｓ３において、ＰＭセンサ６の出力電流値が再生開始値以上であるか否かが判別される。このＳ３の判別でＹＥＳのときは、Ｓ４において、再生用電極１３に通電されて、ＰＭセンサ６の再生が実行される。この後、Ｓ５において、後述するＤＰＦ５の故障判定条件が成立したか否かが判別される。このＳ５の判別でＮＯのときは、Ｓ６において、ＰＭセンサ６の出力が図３に示す再生終了値以下となったか否かが判別される。このＳ６の判別でＮＯのときは、再生が終了していないときなので、Ｓ４に戻って再生が続行される。そして、Ｓ６の判別でＹＥＳのときは、Ｓ７において、再生が終了された後（再生用電極１３への通電停止）、リターンされる。

前記Ｓ３の判別でＮＯのときは、Ｓ８において、ＤＰＦ５の故障判定を行う条件が成立したか否かが判別される。このＳ８での判別の内容は、前記Ｓ５での判別の内容と同じであり、例えばエンジン回転数が所定回転数範囲内で安定しておりかつエンジン負荷が所定負荷範囲内で安定しているときに、故障判定条件が成立していると判断される。このＳ８の判別でＮＯのときは、そのままリターンされる。また、Ｓ８の判別でＹＥＳのときは、Ｓ９において、ＰＭセンサ６の出力を利用して、ＤＰＦが故障しているか否かが判別される。ＤＰＦ５の故障判定は、例えば、ＰＭセンサ６の所定期間における出力値の変化量を所定しきい値と比較することにより行われる。具体的には、上記変化量が、所定しきい値よりも大きければ故障と判定し、小さければ故障でないと判定する。

前記Ｓ５の判別でＹＥＳのとき、つまりＰＭセンサ６の再生中に故障判定条件が成立したときは、Ｓ１０において、ＰＭセンサ６の再生が終了される。この後、Ｓ９での故障判定が実行される。ＰＭセンサ６の再生途中であっても、故障判定条件が成立したときは、再生を中止することにより、Ｓ９での故障判定を行う機会を増大させることができる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。ＰＭセンサ６の出力としては、電流値に限らず、電流値に関連した値となる抵抗値等で表現することもできる。ＰＭセンサ６の再生の際に通電される再生用電極１３への通電量（通電電圧あるい通電電流）は、常時一定のままとしてもよいが、好ましくは、再生直後は大きく、再生終了付近では小さくするのが好ましい。この場合、上記通電量は、連続可変的に徐々に小さくなるようにしてもよく、あるいは段階的に小さくなるようにしてもよい。このような通電制御によって、再生時間を極力短くしつつ、再生終了付近での通電量が小さくして再生終了値を超えて再生し過ぎてしまう事態を防止する上で好ましいものとなる。

完全再生を、適宜のタイミングで行うのが、ＰＭセンサ６による検出精度を長期間に渡って維持する等の上で好ましいものとなる。すなわち、図３の例では、エンジン１の起動直後（ＰＭセンサ６の使用開始直前）のタイミングで完全再生を行なうようにしているが、例えば次のようなタイミングで行うこともできる。図３に示す再生開始値と再生終了値との間での再生を連続して所定回数（例えば１００回）行なう毎に、完全再生を行うようにしてもよい。上記所定回数に代えて、所定経過時間（例えば３０分）経過毎に完全再生を行うようにしてもよい。勿論、完全再生を一切行わないようにすることもできる。

図３で設定されたしきい値としての再生終了値は、ＰＭセンサ６の検出可能範囲の下限値よりも十分大きい値に設定してあるが、検出可能範囲の下限値（検出可能範囲から検出不可能範囲に切換わる値）に設定してもよい。この下限値に設定した場合は、次に再生開始されるまでの期間を長く確保する上で好ましいものとなる。また、再生開始条件や再生終了条件の少なく一方あるいは両方を、ＰＭセンサの６の出力値に関連したしきい値以外でもって設定するようにしてもよい。例えば、再生開始条件を、ＰＭセンサ６の再生終了から所定時間経過した時点として設定する等のこともできる。また、再生途中での再生終了条件を、定常運転のうち特に気筒内からの排出ＰＭ量が多くなる高負荷域での定常運転が検出されたときとして設定する等、適宜の条件設定することもできる。勿論、再生途中での再生終了を行わないようにしてもよい。

ＰＭセンサ６を、ＤＰＦ５の故障判定に用いる場合には、ＤＰＦ５の上流側にもＰＭセンサを別途設けて、ＤＰＦ５の上流側と下流側との両方のＰＭセンサの出力を利用して、ＤＰＦ５の故障判定を行うようにしてもよい（ＤＰＦ５への流入ＰＭ量と流出ＰＭ量とからＤＰＦ５の捕集効率を算出して、この捕集効率をあらかじめ設定した所定のしきい値と比較して故障判定を行う）。勿論、この上流側と下流側の各ＰＭセンサの両方について、あるいはいずれか一方のＰＭセンサについて、本発明による再生手法を適用することができる。ＰＭセンサは、ＤＰＦ５の故障判定以外にも使用することができる。例えば、ＤＰＦ５の下流側に設けたＰＭセンサ６を利用して、ＤＰＦ５の再生完了時期を知ることができる（ＤＰＦ５が再生された直後はＤＰＦ５から流出するＰＭ量が一時的に増大するので、この増大ＰＭ量をＰＭセンサ６で検出する）。また、エンジンの運転状態に応じてＤＰＦ５に流入されるＰＭ量を推定すると共に、推定された流入ＰＭ量を上流側のＰＭセンサの出力に基づいて補正して、より正確な流入ＰＭ量を知るようにしてもよい。エンジン１の運転状態に基づいてＤＰＦ５への流入ＰＭ量を推定するには、例えば燃料噴射量、燃料噴射圧力、酸素濃度、排気温度、気筒内温度の少なくとも１つあるいは２以上のパラメータを用いて既知のように推定することができる。さらに、上流側ＰＭセンサの出力に基づいて、気筒内から排出されるＰＭ量が最小限となるように、燃料噴射量や燃料噴射圧力を制御することもできる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、自動車用のディーゼルエンジンに適用して好適である。

１：エンジン
２：吸気通路
３：判別
５：粒状物質捕集フィルタ（ＤＰＦ）
６：粒状物質センサ（ＰＭセンサ）
１０：基板
１１：正極
１２：負極
１３：再生用電極
１４：温度センサ
Ｕ：コントローラ
２１：センサ（エンジン回転数）
２２：センサ（エンジン負荷）

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に、粒状物質量が増大するのに伴って出力が変化する積算式の粒状物質センサが配設されたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記粒状物質センサに堆積した粒状物質を除去して該粒状物質センサの再生を行う再生手段を備え、
   前記再生手段は、前記粒状物質センサの出力値が０よりも大きい値に設定された再生終了値まで該粒状物質センサの再生を行ない、
   前記排気通路に配設された粒状物質捕集フィルタと、
   あらかじめ設定された前記粒状物質捕集フィルタの故障判定条件が成立したときに、前記粒状物質センサの出力に基づいて前記粒状物質捕集フィルタの故障判定を行う故障判定手段と、
   をさらに備え、
   前記粒状物質センサの再生中に前記故障判定条件が成立したときは、前記再生手段は該粒状物質センサの再生を中止する一方、前記故障判定手段は前記粒状物質捕集フィルタの故障判定を行う、
   ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 請求項１において、
   前記再生手段は、粒状物質を電気的に加熱、除去する加熱制御式とされ、
   前記再生手段は、再生に伴って前記粒状物質センサに堆積する粒状物質が減少するにしたがって、加熱のための通電量を小さくする、
   ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記再生手段は、粒状物質の検出可能範囲内での再生をあらかじめ設定した所定回数行なった後に、またはエンジン起動後の前記粒状物質センサによる初回の計測開始時の前に、粒状物質の検出不可能なレベルまで完全再生する、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
   

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