JP6283742B2 - 粒子フィルタを監視するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンで運転される内燃機関の排ガス通路内の粒子フィルタを監視するための方法に関する。

本発明はさらに、ガソリンで運転される内燃機関の排ガス通路内の粒子フィルタを監視するための装置で、前記内燃機関に制御ユニットが対応配設されている形式の装置に関する。

ガソリンで運転される内燃機関の排ガス通路内の粒子フィルタは、内燃機関から排出される粒子を減少させるために用いられる。ディーゼル燃料で運転される内燃機関のための粒子フィルタにおいてもそうであるように、ガソリンで運転される内燃機関においては、粒子を燃焼させることによって、粒子フィルタを必要に応じて再生させなければならない。この再生は監視する必要がある。さらに、粒子フィルタの存在および正しい機能が運転中に診断機能によって監視される処置が行われる。ディーゼルエンジンのための粒子フィルタの監視は、粒子フィルタの前後の圧力差を決定することによって、並びに排ガス通路内で粒子フィルタに後置接続された粒子センサを介して行われる。

特許文献１には、粒子フィルタを再生するための方法が記載されており、この方法によれば、
内燃機関の下流で粒子フィルタの上流に酸化触媒コンバータが設けられ、
酸化触媒コンバータの上流に第１の酸素センサが設けられ、
酸化触媒コンバータの下流に第２の酸素センサが設けられ、
酸化触媒コンバータから放出される、目標温度を有する排ガス流を提供し、かつ追加的な閉ループ制御回路周辺のオプション的な温度検出を行うために、酸化触媒コンバータを介して、酸素濃度の所望の変化を選択された継続時間だけ長く維持および選択するためのプロセッサが設けられ、
酸化触媒コンバータから放出される排ガス流を、粒子フィルタを通してガイドすることによって粒子フィルタが再生されるようになっており、この場合、粒子フィルタを通過する排ガス流の温度および選択された継続時間は、粒子フィルタを再生するために十分である。

特許文献２には、排気装置を備えた外部点火式内燃機関の粒子フィルタの再生を実施するための方法について記載されており、前記排気装置は、粒子フィルタと、この粒子フィルタの上流に位置決めされた有害物質制限装置と、このために設計された、粒子フィルタの温度を有する温度センサと、粒子フィルタの下流に位置決めされた下流側に位置する酸素センサとを有している。この発明によれば、粒子フィルタの再生中に粒子フィルタの温度を上昇させ、その反作用として、粒子フィルタの温度が温度閾値よりも高くなり、下流側に位置する酸素センサのラムダが過濃負荷される時間が時間閾値よりも大きくなるようにし、二次空気を有害物質制限装置の下流で粒子フィルタの上流の箇所に導入し、その反作用として、粒子フィルタの温度が前記温度閾値よりも高くなり、下流側に位置する酸素センサのラムダが過濃負荷される時間が前記時間閾値よりも大きくならないようにし、さらに、粒子フィルタ劣化条件が設定されている。

排ガスの空燃比のハンチングの変化に関して、粒子フィルタの下流の空燃比を監視することによって、粒子フィルタ再生に関する適切な条件を規定することができる。特に、ハンチングの減少は、粒子フィルタ内のカーボンの酸化を示す。粒子フィルタの後ろの排ガスの空燃比の増大したハンチングにより、カーボン負荷が酸化されたことを示すと、再生は終了されてよい。請求項に記載した方法では、ラムダセンサが必要とされる。このような構成では、粒子フィルタに後置接続された温度センサは使用されない。

特許文献３には、エンジンの排ガスを浄化するフィルタを再生するための方法について記載されており、この方法は、
フィルタ内のカーボン捕集の決定と、
前記カーボン捕集と第１のカーボン捕集閾値との比較と、
フィルタ内で再生を開始させるために、前記カーボン収集と前記第１のカーボン収集閾値との比較に応じて排ガス内の酸化レベルの選択的な上昇とを有している。
特許文献３の図１に示した装置は、粒子フィルタに後置接続された温度センサ１８０−３を有している。しかしながら図３に示した方法の説明では、粒子量の制御しか行われず、温度センサ１８０−３の温度の制御は行われない。温度は、再生の開始のために適した温度を保証するためにだけ決定される。

特許文献４では、内燃機関の排ガス領域内に配置された構成要素を監視するための方法について提案されており、この方法においては、構成要素の熱容量によって決定された低域フィルタ特性が、監視しようとする構成要素の手前で発生する第１の排気温度（ＴｖＫ）の尺度を評価し、かつ監視しようとする構成要素の後方の第２の温度センサ（ＴＨ）によって測定される第２の排気温度（ＴｎＫ）の尺度を評価することによって検査される。この発明による方法は、例えば許容できない操作時に発生し得る変化に関する構成要素の監視を可能にする。極端な場合、監視しようとする構成要素、例えば触媒および／または粒子フィルタは完全に取り除かれてよい。この明細書によれば、排ガス通路内の構成要素の熱容量に基づく、構成要素を貫流する排気の温度の特性から、構成要素の操作を推定することが分かる。しかしながら粒子フィルタは具体的に挙げられていない。

特許文献５によれば、センサユニットによってセンサ温度が直接的または間接的に決定され、直接的または間接的に決定されたセンサ温度と、別のセンサユニットによって決定された排気温度および／またはモデル値および／または決定された閾値との比較から、センサユニットの取り外しおよび／またはセンサユニットの機能的に正しくない取り付けの検知を推定することによって、センサユニットの存在を監視するようになっている。発熱反応によって得られる温度上昇が基準値として用いられることによって、粒子フィルタを監視することは予定されていない。

特許文献６では、粒子フィルタが差圧測定を介して診断されるようになっているが、粒子フィルタの前後での温度の評価は予定されていない。

特許文献７には、内燃機関の排ガス領域内に配置された触媒の機能正常性を監視する方法について記載されている。監視は、排ガスの放熱交換により発生される触媒内の温度上昇を用いて行われる。２つの温度信号が求められ、この場合、第１の温度信号は触媒の後ろの温度の測定に基づいていて、第２の温度信号はモデルを用いて算出される。この明細書によれば、粒子フィルタではなく、触媒において、規定通りの機能を有する構成部分の発熱反応から、およびひいては構成部分より生ぜしめられる排ガス温度の上昇から、構成部分の正しい機能を推定することが分かる。取り外された構成部分の診断については記載されていない。

ヨーロッパ特許明細書の翻訳文ＤＥ１１２００８００３４２１Ｔ５ ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００４６７４７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１２２０７７１７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５８１９５号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００９００３０９１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００２６９１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４２６０２０号明細書

そこで本発明の課題は、ガソリンで運転される内燃機関のための、粒子フィルタを監視するための、特に粒子フィルタの取り外しに対して監視するための方法を提供することである。

さらに、本発明の課題は、前記方法を実施するための装置を提供することである。

本発明の方法に関する課題は、粒子フィルタの前で第１の排ガス温度を決定し、粒子フィルタの後ろで第２の排ガス温度を決定し、前記第１の排ガス温度と前記第２の排ガス温度との差から、または前記第１の排ガス温度および前記第２の排ガス温度の異なる経時変化から、粒子フィルタの存在および／または粒子フィルタの正しい機能を推定するようにしたことによって、解決される。この方法は、粒子フィルタの熱質量の効果の検出、または粒子フィルタ内に堆積したカーボン粒子の燃焼時における排ガスの温度への影響に基づいている。これによって、粒子フィルタの前後の温度変化は、独特な差異を示す。このような差異が生じなければ、粒子フィルタは取り除かれていて、熱質量が粒子フィルタの熱質量よりも著しく小さい例えば管材によって置き換えられている。

この方法の１実施態様によれば、第１の排ガス温度のモデルが内燃機関の運転パラメータから作成され、第２の排ガス温度が第２の温度センサによって、または温度機能を有する排ガスセンサによって決定されるようになっている。粒子フィルタの前の第１の排ガス温度のモデルが内燃機関の運転パラメータから作成されるようになっていれば、この箇所における第１の温度センサは省くことができる。従ってこの解決策は安価である。これに対して、粒子フィルタの後ろの第２の排ガス温度は、粒子フィルタの状態に依存する温度変化を検出し、かつ監視に導入できるようにするために、第２の温度センサによって決定されなければならない。

粒子フィルタの再生時に、カーボン粒子は排ガス中の酸素と共に規定通りに燃焼される。粒子フィルタ内に堆積したカーボン量は運転パラメータに基づくモデルを介して見積もられるか、または粒子フィルタの前に取り付けられた粒子センサによって決定され得る。再生開始時に、十分に高い温度を有する希薄な排ガスが粒子フィルタ内に導入される。再生は発熱反応であり、従って排ガスを追加的に加熱する。粒子フィルタ内に堆積したカーボン量から、解放される熱量および温度上昇が決定され得る。粒子フィルタの前の適切な温度および排ガス組成は、コーティングされていない粒子フィルタまたは触媒効果を有するコーティングが使用されるかどうかに依存している。従って本発明によれば、粒子フィルタの再生中に、予め設定可能な時間間隔に亘って第１の排ガス温度が第２の排ガス温度よりも低いときに、粒子フィルタが正しく組み込まれかつ／または正しく機能することが推定されるようになっている。この場合、予め設定可能な時間間隔とは、その時間間隔内で発熱反応が見込まれる時間間隔である。

粒子フィルタは、同じ長さおよび同じ横断面を有する管材と比較して著しく高い熱容量を有している。従って、冷たい粒子フィルタ内に侵入する熱い排ガスは、まず熱を放出し、粒子フィルタが十分に加熱されるまで、冷却されて粒子フィルタを通過し、粒子フィルタの出口における温度が上昇する。同様に、熱い粒子フィルタ内に侵入する冷たい排ガスは、まず熱を吸収し、粒子フィルタが十分に冷却されるまで加熱されて粒子フィルタを通過し、粒子フィルタの出口における温度が低下する。従って、粒子フィルタを監視するために、第２の排ガス温度の経時変化が、第１の排ガス温度の経時変化に対して第１の所定の時間的遅延よりも大きい時間的遅延を有するときに、粒子フィルタが正しく組み込まれていると推定することが適切である。

特に明らかに、粒子フィルタの遅延効果は内燃機関の冷間始動時に発生する。従って、本発明による方法は、内燃機関の冷間始動後に第２の排ガス温度の経時変化が、第１の排ガス温度の経時変化に対して第２の所定の時間的遅延よりも大きい時間的遅延を有するときに、粒子フィルタが正しく組み込まれていると推定するために適している。

粒子フィルタの熱容量は、温度変化に影響する遅延作用の他に、温度変動の振幅を減少させる作用も有している。この減少は、変動の継続時間に依存している。本発明によれば、第２の排ガス温度の経時変化が、大きくとも予め設定可能な１ファクターだけ、第１の排ガス温度の経時変化よりも小さい振幅を有するときに、粒子フィルタが正しく組み込まれていることが推定されるようになっている。粒子フィルタが取り外されると、接続管は僅かな熱質量を有していて、温度変動の振幅はほんの少しだけ縮小する。

本発明の装置に関する課題は、排ガス通路内で粒子フィルタの後ろに第２の温度センサが配置されており、制御ユニット内に、粒子フィルタの前の第１の排ガス温度を決定するための、および第２の温度センサによって第２の温度を検出するための、並びに第１および第２の排ガス温度の経時変化および／または高さを評価することによって粒子フィルタを監視するためのプログラムシーケンスまたは回路が設けられていることによって解決される。粒子フィルタの前の温度および温度変化は、内燃機関の運転パラメータから成るモデルによってまたは第１の温度センサによって決定され得る。粒子フィルタの後ろの温度および温度変化は、第２の温度センサによって決定される。この第２の温度センサは、温度機能を有する排ガスセンサとして構成されていてもよい。例えば、ラムダセンサが使用されてよく、このラムダセンサの温度は、ラムダセンサのヒータの電気抵抗により、またはラムダセンサ内に組み込まれた温度センサによって決定される。このような組み合わせセンサは、冷間始動時に露点終了の前で、温度を決定するためにおよび粒子フィルタを診断するために使用され、露点終了に達すると直ちにラムダセンサとして使用される。

本発明が使用され得る技術的な環境を示す図である。 内燃機関の排ガス通路内における温度の第１の経時変化を示す図である。 内燃機関の冷間始動時における温度の第２の経時変化を示す図である。 内燃機関の排ガス通路内の温度の第３の経時変化を示す図である。

本発明を以下に、図面に示した実施例を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明が使用され得る技術的な環境を示す。ガソリンで駆動される内燃機関１０に、吸気管１１を介して燃焼空気が供給され、排ガスが排ガス通路１４を介して放出される。排ガス通路１４内で内燃機関１０の後ろに三元触媒１３が配置されており、排ガスの流れ方向で見て前記三元触媒１３の後ろに粒子フィルタ１６が配置されている。排ガスの温度は、粒子フィルタ１６の前では第１の温度センサ１５によって決定され、粒子フィルタ１６の後ろでは第２の温度センサ１７によって決定される。第１の温度センサ１５および第２の温度センサ１７は制御ユニット１２に接続されており、この制御ユニット１２内で、前記温度センサ１５，１７の信号が評価され、その結果から、粒子フィルタ１６の存在およびその機能が監視される。別の実施態様では、粒子フィルタ１６の前の排ガスの温度は、内燃機関１０の運転パラメータおよび所属のモデルから決定され、従って第１の温度センサ１５は省かれる。

図２は、第１の温度線図２０で、粒子フィルタ１６の再生時における温度変化を示す。温度は、第１の温度軸２１および第１の時間軸２５に沿ってグラフで示されている。第１の温度変化２２は、粒子フィルタ１６の前の温度の経時変化を示す。第１の段階２６で、粒子フィルタ１６が排ガスからカーボン粒子を捕集する。再生のために、第２の段階２７で、排ガス温度を高めるための処理が開始され、排ガス内の酸素過剰率が調整され、それによって第１の温度変化２２が上昇する。第３の段階２８で、粒子フィルタ１６の前の排ガス温度が例えば６００℃の高いレベルに維持され、粒子フィルタが再生される。第３の段階２８の後に再び通常運転が開始され、第１の温度変化２２が低下する。規定通りに作業する粒子フィルタ１６において、粒子フィルタ１６の後ろで第３の温度変化２４が生じる。第１の段階２６では、第３の温度変化２４が第１の温度変化２２よりもやや低い。第２の段階２７では、第３の温度変化２４が、第１の温度変化２２にやや遅れて上昇する。第３の段階２８では、粒子フィルタ１６内のカーボンが発熱反応で燃焼するので、第３の温度変化２４は第１の温度変化２２よりも高く上昇する。粒子フィルタ１６内に堆積したカーボン粒子が燃焼すると、第３の温度変化２４は再び低下する。第３の段階２８における第１の温度変化２２に対する第３の温度変化２４のこの一時的な過度の上昇は、監視装置において、正しく作業する粒子フィルタ１６のための兆候として用いられる。再生が予め設定された通りに行われないと、粒子フィルタ１６の後ろで第２の温度変化２３が得られる。第２の段階２７で、第２および第３の温度変化２３，２４が一緒に上昇する。しかしながら、第３の段階２８で、第２の温度変化２３は、第１の温度変化２２に対して過度に上昇することはない。従って、再生のための典型的な発熱反応は行われない。

図３は、第２の温度線図３０で、内燃機関１０の冷間始動後の粒子フィルタ１６前後の温度変化を示す。温度は、第２の温度軸３１および第２の時間軸３５に沿ってグラフで示されている。第４の温度変化３２は、粒子フィルタ１６の前の温度の経時変化を示す。まず、排ガス通路内のガス混合気はほぼ周囲温度である。内燃機関１０の始動に伴って、第４の温度変化３２は上昇し、最大値を過ぎてから運転温度に調節される。第６の温度変化３４は、正常な粒子フィルタ１６の後ろの温度を示す。第６の温度変化３４は、粒子フィルタ１６の熱質量によって規定された遅延時間３６後にはじめて運転温度に上昇する。粒子フィルタ１６が排ガス通路１４から取り除かれると、この遅延時間３６は無くなり、第５の温度変化３３が発生する。この第５の温度変化３３は、ほんの少しだけ遅れて第４の温度変化３２に追従して上昇しかつ増大する。冷間始動時におけるこのような特性は、故障状態の存在に関する監視のための明確な兆候である。

図４は、第３の温度線図４０で、内燃機関１０の変化する運転条件下における粒子フィルタ１６の前後の温度変化を示す。変化する運転条件によって、粒子フィルタ１６の前で第７の温度変化４２が温度変動を示す。排ガス通路１４内に存在する正常な粒子フィルタ１６において、粒子フィルタ１６の後に独特な遅延を伴って第９の温度変化４４が続き、この第９の温度変化４４は、粒子フィルタ１６の熱容量に基づいて、粒子フィルタ１６の前の第７の温度変化４２よりも小さい、温度変動の振幅を有している。この粒子フィルタ１６が排ガス通路１４から取り除かれると、この独特な遅延および振幅の減少は無くなり、第８の温度変化４３が発生する。この第８の温度変化４３は、ほんの少しだけ遅れて第７の温度変化４２に追従して上昇しかつ増大する。内燃機関１０の変化する運転条件下におけるこのような特性は、故障状態の存在に関する監視のための明確な兆候である。

全体として、本発明によれば、粒子フィルタの前および後ろの温度の変化および高さを評価することによって、粒子フィルタの正確な再生を推定することができる。さらに、粒子フィルタの取り外しおよび接続管による置き換えは、検知され得る。

１０ 内燃機関
１１ 吸気管
１２ 制御ユニット
１３ 三元触媒
１４ 排ガス通路
１５ 第１の温度センサ
１６ 粒子フィルタ
１７ 第２の温度センサ
２０ 第１の温度線図
２１ 第１の温度軸
２２ 第１の温度変化
２３ 第２の温度変化
２４ 第３の温度変化
２５ 第１の時間軸
２６ 第１の段階
２７ 第２の段階
２８ 第３の段階
３０ 第２の温度線図
３１ 第２の温度軸
３２ 第４の温度変化
３３ 第５の温度変化
３４ 第６の温度変化
３５ 第２の時間軸
３６ 遅延時間
４０ 第３の温度線図
４２ 第７の温度変化
４３ 第８の温度変化
４４ 第９の温度変化

Claims (4)

1. ガソリンで運転される内燃機関（１０）の排ガス通路（１４）内の粒子フィルタ（１６）を監視するための方法において、
   前記粒子フィルタ（１６）の前で第１の排ガス温度を決定し、前記粒子フィルタ（１６）の後ろで第２の排ガス温度を決定し、前記内燃機関（１０）の冷間始動後に、前記第２の排ガス温度の経時変化が、前記第１の排ガス温度の経時変化に対して所定の時間的遅延よりも大きい時間的遅延を有し、前記第１の排ガス温度は、最大値を過ぎた後、前記最大値よりも低い運転温度となり、前記第２の排ガス温度は、前記時間的遅延後に前記運転温度まで上昇するときに、前記粒子フィルタ（１６）の正しい機能を推定することを特徴とする、粒子フィルタを監視するための方法。
2. 前記第１の排ガス温度のモデルを前記内燃機関（１０）の運転パラメータから作成し、前記第２の排ガス温度を第２の温度センサ（１７）によって、または温度機能を有する排ガスセンサによって決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の排ガス温度の経時変化が、大きくとも予め設定可能な１ファクターだけ、前記第１の排ガス温度の経時変化よりも小さい振幅を有するときに、前記粒子フィルタ（１６）が正しく組み込まれていることが推定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. ガソリンで運転される内燃機関（１０）の排ガス通路（１４）内の粒子フィルタ（１６）を監視するための装置であって、前記内燃機関（１０）に制御ユニット（１２）が対応配設されている形式の装置において、
   前記排ガス通路（１４）内で前記粒子フィルタ（１６）の前に第１の温度センサ（１５）、前記粒子フィルタ（１６）の後ろに第２の温度センサ（１７）が配置されており、前記制御ユニット（１２）内に、前記粒子フィルタ（１６）を監視するためのプログラムシーケンスまたは回路が設けられており、前記プログラムシーケンスまたは回路は、前記内燃機関（１０）の冷間始動後に、前記第２の排ガス温度の経時変化が、前記第１の排ガス温度の経時変化に対して所定の時間的遅延よりも大きい時間的遅延を有し、前記第１の排ガス温度は、最大値を過ぎた後、前記最大値よりも低い運転温度となり、前記第２の排ガス温度は、前記時間的遅延後に前記運転温度まで上昇するときに、前記粒子フィルタ（１６）の正しい機能を推定することを特徴とする、粒子フィルタを監視するための装置。

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