JP5915476B2 - Ｐｍセンサの異常検出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を備えた車両に搭載される技術であって、内燃機関からＰＭフィルタを通して排出された排気ガス中の粒子状物質を測定するＰＭセンサの異常を検出するＰＭセンサの異常検出装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガス中には、粒子状物質（Particulate Matter；ＰＭ、以下「ＰＭ」と記す）が含まれている。このＰＭを除去するために、ＰＭを捕集する排気浄化フィルタ（以下「ＰＭフィルタ」と記す）が排気通路に配置される。このＰＭフィルタとしては、例えばディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ；Diesel Particulate Filter）が知られている。

ＰＭフィルタは、ＰＭの捕集に優れた能力を有しているが、ＰＭを捕集し続けるとやがてフィルタが目詰まりして性能が劣化してしまう。そこで、ＰＭフィルタにある程度ＰＭが堆積したら、排気ガスの温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼して除去することが行われている（ＰＭフィルタの再生処理）。

また、このＰＭフィルタに堆積するＰＭ量の判定（目詰まり判定）を含め、ＰＭフィルタの正常／異常を判定するものとして、ＰＭセンサが用いられている。ＰＭセンサは、センサ素子とそのセンサ素子を挟んだ一対の電極とを含み、ＰＭフィルタを通過した後の排気通路に配置される。ＰＭフィルタで捕集されずＰＭフィルタを通過した排気ガス中のＰＭは、センサ素子上に堆積する。ＰＭセンサは、電極間に電圧を印加してセンサ素子上に堆積したＰＭを通して流れる電流（通電量）を測定することで、センサ素子上に堆積したＰＭ量を推定する。

特開２０１２−０６２７６９号公報

上述したＰＭセンサでは、ＰＭフィルタが正常であるか異常であるかを精度よく判定するため、所定のタイミングでセンサ素子上に堆積したＰＭをヒータなどの加熱手段によって高温にして燃焼除去させることが行われている（ＰＭセンサの再生処理）。例えば、特許文献１を参照。

しかし、このＰＭセンサの再生処理が不十分（例えば、加熱温度不足など）である場合においてＰＭセンサで排気ガス中のＰＭ排出量が異常であると判断されても、その原因がＰＭフィルタによるもの（フィルタ目詰まりなど）なのか、ＰＭセンサによるもの（センサの故障など）なのか、不明確になるという問題がある。

本発明は、上記問題を鑑みて、ＰＭセンサの正常／異常を精度よく判断できるＰＭセンサの異常検出装置を開示することを目的とする。

本発明は、内燃機関からＰＭフィルタを通して排出された排気ガス中の粒子状物質を測定するＰＭセンサの異常を検出する異常検出装置に向けられている。
そして、上記目的を達成するために、本発明のＰＭセンサの異常検出装置は、ＰＭセンサに堆積した粒子状物質を燃焼除去するためのヒータへの通電を制御する通電制御部と、ＰＭセンサによって実施される粒子状物質の測定処理における、通電制御部によるヒータへの通電開始からＰＭセンサより出力される測定値が所定の値に達するまでの期間である感度時間の変化に基づいて、ＰＭセンサが正常か否かを判定するセンサ判定部とを備えており、センサ判定部は、第１の通電量でヒータ通電されたＰＭセンサが測定処理を実施した結果、感度時間の変化が予め定めたしきい値を超えた場合、当該第１の通電量よりも大きな第２の通電量でヒータ通電されたＰＭセンサに測定処理を再度実施させ、第２の通電量がヒータ通電されたＰＭセンサが測定処理を実施した結果、感度時間の変化がしきい値を超えた場合、ＰＭセンサが異常であると判定する。

このセンサ判定部は、第２の通電量でヒータ通電されたＰＭセンサが測定処理を実施した結果、感度時間の変化がしきい値を超えた場合、ＰＭフィルタの再生処理のタイミングおよび期間に第２の通電量によるヒータ通電を同期させた状態でＰＭセンサに測定処理をさらに実施させ、ＰＭフィルタの再生処理にヒータ通電を同期させた状態でＰＭセンサが測定処理を実施した結果、感度時間の変化がしきい値を超えた場合に、ＰＭセンサが異常であると判定することも可能である。

上述した本発明のＰＭセンサの異常検出装置によれば、ＰＭセンサの正常／異常を精度よく判断することができる。

本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの異常検出装置を適用する内燃機関システムの概略構成を示す図 本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの異常検出装置が実行する基本的なＰＭセンサ異常検出方法の処理手順を説明するフローチャート 本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの異常検出装置が実行する発展的なＰＭセンサ異常検出方法の処理手順を説明するフローチャート ＰＭセンサの正常時および異常時における感度時間の変化を説明する図

＜本発明者による知見＞
上述したＰＭセンサの再生処理では、ＰＭの燃焼量は、センサ素子の上昇温度、つまりヒータなどの加熱手段によるセンサ素子の加熱時間に比例する。本発明者の検討において、ＰＭセンサの加熱が不十分であるとＰＭの燃焼除去が十分に行われず、センサ素子上には煤に混じって灰が残る可能性があることが判明した。そして、センサ素子上に灰が残った場合、センサ素子のＰＭに対する感度特性が変化し（ＰＭ堆積量に対するセンサ出力値が低下し）、ＰＭセンサから出力される測定値が所定の値に達するまでの時間である感度時間が延びることがわかった（図４を参照）。

＜本発明者が着目した手法＞
本発明者は、ＰＭセンサから灰を除去すれば正常と判定できること、およびセンサ素子上に灰が残っている場合には上述したように感度時間が延びることから、センサ素子上に堆積したＰＭのヒータなどの加熱手段による燃焼開始（具体的にはヒータへの通電開始）から所定の感度時間までの期間の変化に基づいて、ＰＭセンサの正常／異常を判定することに着目した。
この新たな着目に基づいた本発明の実施形態は、次の通りである。

＜発明の詳細な説明＞
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの異常検出装置を適用する内燃機関システム１の概略構成を示す図である。図１に示した内燃機関システム１は、内燃機関１０と、ＰＭフィルタ２０と、ＰＭセンサ３０と、本発明の主要な構成であるＰＭセンサの異常検出装置（ＥＣＵ）４０とを備えている。ＰＭセンサの異常検出装置４０は、センサ判定部４１および通電制御部４２を含んでいる。

１．構成の説明
内燃機関１０は、燃料噴射装置や点火装置（共に図示せず）を備えたディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどである。この内燃機関１０は、後述するセンサ判定部４１の指示に従って排気通路内に燃料を直接噴射して排気ガスの温度を上昇させ、ＰＭフィルタ２０を再生処理する機能を有している。

ＰＭフィルタ２０は、ＰＭ（粒子状物質）を捕集する排気浄化フィルタであり、内燃機関１０から排出される排気ガスが通る排気通路５０の内部に配置される。このＰＭフィルタ２０は、例えばハニカム構造となるコーディエライト等の耐熱性セラミックスの基材を用いて、排気ガスの流路となる多数のセルを入口側または出口側が互い違いとなるように目封じされて構成されている。

ＰＭセンサ３０は、排気通路５０内部のＰＭフィルタ２０の後段に配置され、ＰＭフィルタ２０で捕集されずＰＭフィルタ２０を通過した排気ガス中のＰＭの量を測定する。このＰＭセンサ３０は、例えばセンサ素子とそのセンサ素子を挟んだ一対の電極とで構成される。電極間にＰＭが堆積すると、電極間の抵抗値が低下して流れる電流が多くなる。この電極間を流れる電流の量は、ＰＭ堆積量に応じて変化するので、電流量からＰＭ堆積量が推定できる。また、ＰＭセンサ３０には、ＰＭセンサ再生処理（後述する）を実施するために、ヒータなどの加熱手段３１（以下、ヒータ３１と記す）が設けられている。

センサ判定部４１および通電制御部４２を含むＰＭセンサの異常検出装置４０は、典型的には周知の中央演算処理装置（ＣＰＵ）やメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）などからなるマイクロコンピュータを主体として構成された電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）である。センサ判定部４１は、ＰＭセンサ３０で測定されたＰＭ堆積量に基づいて、ＰＭセンサ３０が正常であるか否か、およびＰＭフィルタ２０が正常であるか否かを判定する。通電制御部４２は、センサ判定部４１による判定に基づいて、ＰＭセンサ３０のセンサ素子を加熱するヒータ３１に供給する電流量（ヒータ通電量）を制御する。これらセンサ判定部４１および通電制御部４２の機能は、メモリに記憶された各種の制御プログラムをＣＰＵが実行することで実現される。

２．異常検出方法の説明
図２および図３は、本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの異常検出装置４０が実行するＰＭセンサ異常検出方法の処理手順を説明するフローチャートである。図２は、本発明の基本的なＰＭセンサ異常検出方法であり、図３は、図２の方法をさらに発展させた本発明の発展的なＰＭセンサ異常検出方法である。

［基本的なＰＭセンサ異常検出方法］
図２において、内燃機関システム１におけるＰＭセンサ３０が正常であるか否かを判定する際、通電制御部４２によってＰＭセンサ３０のセンサ素子を加熱するヒータ３１に通電がなされ（通常の電流値が供給され）、センサ判定部４１によってＰＭセンサ３０のチェックが開始される（ステップＳ２１）。このＰＭセンサ３０のチェックは、ヒータ３１への通電が開始、すなわちセンサ素子上に堆積したＰＭの燃焼開始から、ＰＭセンサ３０より出力される測定値が所定の値に達するまでに要する実測の感度時間が、予め定めた基準感度時間に比べてどれだけ遅延しているかに基づいて行われる。

具体的には、図４に示すように、ＰＭセンサ３０の正常時（実線）は、通電によりヒータ３１の温度が上昇するにつれてセンサ素子上に堆積したＰＭが徐々に燃焼除去され、時間Ｘａに達した時点で所定のＰＭセンサ出力値Ｙが得られる。このＰＭセンサ出力値Ｙが得られる状態とは、例えば、センサ素子上に堆積したＰＭがほとんど燃焼除去されて、電極間の抵抗値が大きくなっている状態などが考えられる。

一方、図４に示すように、ＰＭセンサ３０の異常時（破線）は、通電によりヒータ３１の温度が上昇しても、センサ素子上に堆積したＰＭがなかなか燃焼除去されず、時間ＸｂまでかからないとＰＭセンサ出力値Ｙが得られない状況となる。
この状況は、ヒータ３１で燃焼除去しきれなかった煤がセンサ素子上に残り、その煤の上に灰が付着し、その灰がセンサ感度を低下させて、電極間の抵抗値の上昇を遅延させているものと考えられる。

よって、センサ判定部４１は、ＰＭセンサ３０が正常時の基準感度時間Ｘａと、今回実測したＰＭセンサ３０の感度時間Ｘｂとの差分であるＰＭ感度遅延時間ｔを求め、このＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えるか否かを判断する（ステップＳ２２）。この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えなければ（ステップＳ２２；Ｎｏ）、センサ素子上に問題となる煤が残っていないものと判断し、センサ判定部４１はＰＭセンサ３０が正常であると判定する（ステップＳ２６）。一方、この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えれば（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、センサ素子上に問題となる煤が残っているものと判断し、この残っている煤を改めて全て焼却除去すべく、通電制御部４２がヒータ３１に最大の通電を行い（最大の電流値を供給し）、センサ判定部４１がＰＭセンサ３０のチェックを再び実施する（ステップＳ２３）。

なお、ＰＭ感度遅延時間ｔと比較するしきい値やＰＭセンサ出力値Ｙは、実機適合によって決定するのが望ましい。例えば、実際にセンサ素子上に灰が堆積している状態で感度時間Ｘｂを求め、基準感度時間Ｘａとの差分をＰＭ感度遅延時間ｔと設定してもよい。また、例えば、ＰＭセンサ３０の出力は少量堆積したＰＭに対して不感帯を持っているので、出力応答しだした初期値をＰＭセンサ出力値Ｙと設定してもよい。さらに、ヒータ３１に最大通電を行う時間は、実験または実機適合によって決定するとよい。

センサ判定部４１は、ＰＭセンサ３０が正常時の基準感度時間Ｘａと、ヒータ３１に最大通電がされた状態で実測したＰＭセンサ３０の感度時間Ｘｂとの、差分であるＰＭ感度遅延時間ｔを求め、このＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えるか否かを判断する（ステップＳ２４）。この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えなければ（ステップＳ２４；Ｎｏ）、センサ素子上に問題となる煤および灰が残っていないと判断し、センサ判定部４１はＰＭセンサ３０が正常であると判定する（ステップＳ２６）。一方、この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えれば（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、センサ判定部４１はＰＭセンサ３０が異常であると判定する（ステップＳ２５）。このＰＭセンサ３０の異常を車両のドライバーへ知らせる手法としては、例えば故障を示す警告灯（ＭＩＬ；Malfunction Indicator Lamp）を点灯させることなどが考えられる。

このように、基本的なＰＭセンサ異常検出方法では、最初のＰＭセンサ３０のチェックでＰＭ感度遅延時間ｔがしきい値を超えた場合には、ヒータ３１の通電量を最大にした状態で２回目のＰＭセンサ３０のチェックを実施する。
これにより、センサ素子上に煤や灰が残ることを効果的に回避できるので、ＰＭセンサ３０の正常／異常を適切に判定することができる。

［発展的なＰＭセンサ異常検出方法］
上述した基本的なＰＭセンサ異常検出方法では、センサ素子上のヒータ３１から離れた箇所に煤がついていた場合、ヒータ３１から煤への温度伝達量は小さいため、確実に煤が焼却されて灰が除去されたかどうかはわからない。
そこで、図２のステップＳ２４の判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えた場合に、さらに以下の処理を行うことが望ましい。

図３において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えれば（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、センサ素子上に問題となる煤および灰が残っていると判断し、この残っている煤および灰を改めて全て焼却除去すべく、ＰＭフィルタ２０の再生処理と同期して通電制御部４２がヒータ３１に最大の通電を再び行い、センサ判定部４１がＰＭセンサ３０のチェックを三度実施する。

この３度目のＰＭセンサ３０のチェックでは、ヒータ３１に最大の通電を行うタイミングをＰＭフィルタ２０の再生処理に同期させるため、通電制御部４２によるヒータ通電を一旦停止させる（ステップＳ３５）。そして、ＰＭフィルタ２０の再生処理が開始されると（ステップＳ３６；Ｙｅｓ）、ＰＭフィルタ２０の再生処理のタイミングおよび期間に同期させて、通電制御部４２がヒータ３１に最大の通電を行い、センサ判定部４１がＰＭセンサ３０のチェックを実施する（ステップＳ３７）。

このＰＭフィルタ２０の再生処理中は、燃料を排気通路５０内へ直接噴射することで、排気ガスの温度を通常時よりも高温にすることができる。このため、ＰＭフィルタ２０の再生処理のタイミングで、ＰＭセンサ３０のヒータ通電を実施することで、相乗的にセンサ素子上の煤に対する供給温度を高めることになり、より灰の除去効果を向上させることができる。また、ＰＭフィルタの再生処理タイミングに同期することで、灰を除去するために余分な燃料噴射を行う必要がなくなり、燃費の悪化も招かない。加えて、ＰＭセンサ３０のヒータ通電時間を燃料噴射時間と一致させることにより、ヒータ通電＋燃料噴射によるセンサ素子部への高温状態を可能な限り実現することができる。

センサ判定部４１は、ＰＭセンサ３０が正常時の基準感度時間Ｘａと、ＰＭフィルタ２０の再生処理に同期させてヒータ３１に最大通電が行われた状態で実測したＰＭセンサ３０の感度時間Ｘｂとの差分であるＰＭ感度遅延時間ｔを求め、このＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えるか否かを判断する（ステップＳ３８）。この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えなければ（ステップＳ３８；Ｎｏ）、センサ素子上に問題となる煤および灰が残っていないと判断し、センサ判定部４１はＰＭセンサ３０が正常であると判定する（ステップＳ２６）。一方、この判断において、ＰＭ感度遅延時間ｔが所定のしきい値を超えれば（ステップＳ２８；Ｙｅｓ）、センサ判定部４１はＰＭセンサ３０が異常であると判定する（ステップＳ３１）。このＰＭセンサ３０の異常を車両のドライバーへ知らせる手法としては、例えば故障を示す警告灯（ＭＩＬ；Malfunction Indicator Lamp）を点灯させることなどが考えられる。

このように、発展的なＰＭセンサ異常検出方法では、２回目のＰＭセンサ３０のチェックでもＰＭ感度遅延時間ｔがしきい値を超えた場合には、ＰＭフィルタ２０の再生処理に同期させてヒータ３１に最大通電を行った状態でさらに３回目のＰＭセンサ３０のチェックを実施する。
これにより、センサ素子上に煤や灰が残ることをさらに効果的に回避できるので、ＰＭセンサ３０の正常／異常を適切に判断することができる。

本発明のＰＭセンサの異常検出装置は、内燃機関を備えた車両に利用可能であり、特にＰＭセンサの正常／異常を精度よく判断したい場合などに有用である。

１ 内燃機関システム
１０ 内燃機関
２０ ＰＭフィルタ
３０ ＰＭセンサ
３１ ヒータ
４０ ＰＭセンサの異常検出装置
４１ センサ判定部
４２ 通電制御部
５０ 排気通路

Claims (2)

1. 内燃機関からＰＭフィルタを通して排出された排気ガス中の粒子状物質を測定するＰＭセンサの異常を検出する異常検出装置であって、
   前記ＰＭセンサのセンサ素子を挟んだ一対の電極間に堆積した粒子状物質を燃焼除去するためのヒータへの通電を制御する通電制御手段と、
   前記ＰＭセンサによって実施される粒子状物質の測定処理における、前記通電制御手段によるヒータへの通電開始から前記ＰＭセンサより出力される前記一対の電極間の抵抗値が所定の値に達するまでの期間である感度時間の変化に基づいて、前記ＰＭセンサが正常か否かを判定するセンサ判定手段とを備え、
   前記センサ判定手段は、
   第１の通電量でヒータ通電された前記ＰＭセンサが測定処理を実施した結果、前記感度時間の変化が予め定めたしきい値を超えた場合、当該第１の通電量よりも大きな第２の通電量でヒータ通電された前記ＰＭセンサに測定処理を再度実施させ、
   前記第２の通電量がヒータ通電された前記ＰＭセンサが測定処理を実施した結果、前記感度時間の変化が前記しきい値を超えた場合、前記ＰＭセンサが異常であると判定する、ＰＭセンサの異常検出装置。
2. 前記センサ判定手段は、
   前記第２の通電量でヒータ通電された前記ＰＭセンサが測定処理を実施した結果、前記感度時間の変化が前記しきい値を超えた場合、前記ＰＭフィルタの再生処理のタイミングおよび期間に前記第２の通電量によるヒータ通電を同期させた状態で前記ＰＭセンサに測定処理をさらに実施させ、
   前記ＰＭフィルタの再生処理にヒータ通電を同期させた状態で前記ＰＭセンサが測定処理を実施した結果、前記感度時間の変化が前記しきい値を超えた場合に、前記ＰＭセンサが異常であると判定する、請求項１に記載のＰＭセンサの異常検出装置。

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