JP6451179B2

JP6451179B2 - 診断装置

Info

Publication number: JP6451179B2
Application number: JP2014196579A
Authority: JP
Inventors: 正内山; 哲史塙
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: WO2016047528A1; JP2016070076A

Description

本発明は、診断装置に関し、特に、排気中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を検出するＰＭセンサの診断装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気中のＰＭを検出するセンサとして、電気抵抗型ＰＭセンサが知られている。電気抵抗型ＰＭセンサは、絶縁性基板の表面に一対の導電性電極を対向配置し、これら電極に付着する導電性のＰＭ（主に、スート成分）によって電気抵抗値が変化することを利用してＰＭ量を推定している（例えば、特許文献１参照）。

また、電気抵抗型ＰＭセンサの故障診断装置として、センサ再生期間における電極間の電気抵抗値を複数回測定すると共に、これら測定した電気抵抗値と閾値との差の累積値が所定値を超えると、ＰＭセンサを故障と判定するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−８３２１０号公報特開２０１４−１５９１４号公報

ところで、上述した電気抵抗型ＰＭセンサの故障診断装置では、診断がセンサ再生期間に限定され、電気抵抗値が変化しないセンサ再生インターバル時は診断を行うことができない。このため、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化等を早期に検知できない可能性がある。

開示の診断装置は、ＰＭセンサの機能失陥、機能劣化を早期且つリアルタイムに検知することを目的とする。

開示の診断装置は、内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設け、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する第１推定手段を備えたセンサと、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する第２推定手段と、前記第１推定手段によって推定される粒子状物質量及び、前記第２推定手段によって推定される粒子状物質量に基づいて、前記センサの異常を判定する異常判定手段とを備える。

開示の診断装置によれば、ＰＭセンサの機能失陥、機能劣化を早期且つリアルタイムに検知することができる。

第一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系の一例を示す概略構成図である。第一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。第一実施形態に係る診断装置の電子制御ユニットを示す機能ブロック図である。（Ａ）はＰＭセンサのセンサ再生時期を説明する図、（Ｂ）はエンジン運転状態に基づいて推定される瞬時のＰＭ量を説明する図、（Ｃ）はＰＭセンサによって検出されるＰＭ量とエンジン運転状態に基づいて推定されるＰＭ量とを比較した図である。（Ａ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。他の実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の吸排気系の一例を示す概略構成図である。吸気管１２０には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１２１、ＭＡＦセンサ１３０、インタークーラ１２２、吸気温度センサ１３１、吸気酸素濃度センサ１３２、ブースト圧センサ１３３等が設けられている。排気管１１０には、排気上流側から順に、排気酸素濃度センサ１３４、空燃比センサ１３５、排気温度センサ１３６、酸化触媒２１０、パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、例えば、ＤＰＦ２２０よりも上流側の排気管１１０に設けられている。なお、図１中において、符号１３７はエンジン回転数センサ、符号１３８はアクセル開度センサをそれぞれ示している。

次に、図２に基づいて本実施形態に係るＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。

ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０とを備えている。

ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。

ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ₁₂は、導出口１３の総開口面積Ｓ₁₃よりも小さく形成されている（Ｓ₁₂＜Ｓ₁₃）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ₁₂が導出口１３付近の排気流速Ｖ₁₃よりも遅くなることで（Ｖ₁₂＜Ｖ₁₃）、導入口１２側の圧力Ｐ₁₂は導出口１３側の圧力Ｐ₁₃よりも高くなる（Ｐ₁₂＞Ｐ₁₃）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。

台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。

センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。

フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。

電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、ＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。

電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるセンサ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。

次に、図３に基づいて、本実施形態のＥＣＵ４０の詳細について説明する。ＥＣＵ４０は、エンジンＰＭ量推定演算部４１と、センサ再生制御部４２と、センサＰＭ量推定演算部４３と、センサ異常判定部４４とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。

エンジンＰＭ量推定演算部４１は、本発明の第２推定手段であって、各種センサ１３０〜１３８で検出されるエンジン運転状態を入力信号として含む図示しないモデル式に基づいて、エンジン１００から排出される排気中の瞬時のＰＭ量ｍ_{PM_ENG}（図４（Ｂ）参照）を推定すると共に、このＰＭ量ｍ_{PM_ENG}を累積することで、エンジン１００から排出される総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_ENG}（図４（Ｃ）参照）をリアルタイムに演算する。なお、ＰＭ量ｍ_{PM_ENG}の推定はモデル式に限定されず、例えば、エンジン運転状態等に基づいて参照される図示しないマップを用いてもよい。

センサ再生制御部４２は、本発明の再生手段の一部であって、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。

数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。

センサ再生制御部４２は、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１のＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値Ｃ_{P_max}に達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするセンサ再生を開始する（図４（Ａ）参照）。このセンサ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値Ｃ_{P_min}に低下するまで継続される。

センサＰＭ量推定演算部４３は、本発明の第１推定手段であって、再生インターバルＴ_n間（センサ再生終了から次のセンサ再生開始）における静電容量変化量ΔＣｐ_nに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_SEN}を推定演算する。

再生インターバルＴ_n間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍ_{PM_n_SEN}は、静電容量変化量ΔＣｐ_nに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。

センサＰＭ量推定演算部４３は、数式２から算出される各再生インターバルＴ_n間のＰＭ量ｍ_{PM_n_SEN}を順次積算する以下の数式３に基づいて、フィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_SEN}をセンサ１０の出力値としてリアルタイムに演算する。

センサ異常判定部４４は、本発明の異常判定手段であって、エンジンＰＭ量推定演算部４１から入力されるエンジン１００の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_ENG}と、センサＰＭ量推定演算部４３から入力されるＰＭセンサ１０の総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_SEN}とを比較することで、ＰＭセンサ１０の異常を判定する。

ＰＭセンサ１０に機能失陥や機能劣化等の異常が発生すると、図４（Ｃ）に示すように、総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_ENG}と総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_SEN}との間に乖離が生じる。センサ異常判定部４４は、これら総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_ENG}と総ＰＭ量ｍ_{PM_sum_SEN}との偏差Δｍ_PMをリアルタイムに演算すると共に、偏差Δｍ_PMが所定の閾値を超えると、ＰＭセンサ１０に異常が発生したと判定する。

次に、本実施形態に係る診断装置の作用効果を説明する。

電気抵抗型ＰＭセンサのセンサ再生期間における電気抵抗値に基づいて故障を判定する従来技術では、電極間の電気抵抗値が変化しない再生インターバル期間は診断を行うことができず、ＰＭセンサの機能失陥や機能劣化を早期且つリアルタイムに検知できない課題がある。

これに対し、本実施形態の診断装置は、ＰＭセンサ１０が再生インターバル期間も感度の良好な電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいてＰＭ量をリアルタイムに検出すると共に、ＰＭセンサ１０のＰＭ量をエンジン運転状態に基づいて推定されるＰＭ量と常時比較することで、ＰＭセンサ１０の異常を判定するように構成されている。したがって、本実施形態の診断装置によれば、ＰＭセンサ１０の機能失陥や機能劣化を早期且つリアルタイムに検知することが可能になる。

［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係る診断装置の詳細について説明する。第二実施形態の診断装置は、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、センサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。

図５（Ａ）は、第二実施形態のセンサ部６０の斜視図、図５（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備えている。

フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図５（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図５（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図５（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。

第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。

すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第二実施形態では、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。

なお、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。

［その他］
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図６に示すように、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。

１０ＰＭセンサ
１１ケース部材
１２導入口
１３導出口
２０台座部
２１雄ネジ部
２２ナット部
３０センサ部
３１フィルタ部材
３２，３３電極
３４電気ヒータ
４０ＥＣＵ
４１エンジンＰＭ量推定演算部
４２センサ再生制御部
４３センサＰＭ量推定演算部
４４センサ異常判定部

Claims

内燃機関の排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設け、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する第１推定手段を備えたセンサと、
前記内燃機関の運転状態に基づいて排気中の粒子状物質量を推定する第２推定手段と、
前記第１推定手段によって推定される粒子状物質量及び、前記第２推定手段によって推定される粒子状物質量に基づいて、前記センサの異常を判定する異常判定手段と、を備え、
前記センサは、前記フィルタ部材に捕集された粒子状物質量が所定値に達すると当該堆積した粒子状物質を燃焼除去させるセンサ再生を実行する再生手段をさらに備え、
前記第１推定手段は、センサ再生期間の粒子状物質量と、センサ再生インターバル間の粒子状物質量とをそれぞれ推定すると共に、センサ再生期間の粒子状物質量を、センサ再生インターバル間に捕集した粒子状物質量を順次積算して推定し、センサ再生インターバル間の粒子状物質量を、所定の範囲で推移する静電容量に基づいて推定する
診断装置。
前記異常判定手段は、前記第１推定手段によって推定される粒子状物質量と前記第２推定手段によって推定される粒子状物質量との差が所定の閾値を超えた場合に、前記センサを異常と判定する
請求項１に記載の診断装置。
前記センサは、筒状に形成されてその筒内に前記フィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気を前記フィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材を備える
請求項１又は２に記載の診断装置。
前記フィルタ部材が前記複数のセルを一方向に並列に配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板である
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。
前記第１電極板、前記第２電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第１及び第２電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層された
請求項４に記載の診断装置。