WO2007142359A1 - Ｐｍトラッパの故障検出システム - Google Patents

Abstract

　本発明は、ＰＭトラッパの故障をより精確に検出することを可能にする技術を提供することを課題とする。本発明は、ＰＭトラッパ１１の前後差圧を検出する差圧センサ２０を備え、差圧センサ２０の雰囲気温度が所定の温度範囲に入るような内燃機関１の２つの異なる運転状態におけるＰＭトラッパ１１の前後差圧の変化量に基づいてＰＭトラッパの故障を検出する。差圧センサ２０の雰囲気温度の変化に起因する差圧センサ２０のオフセット誤差の変動が抑制されるので、より精度良くＰＭトラッパ１１の前後差圧の変化量を検出でき、より精度良くＰＭトラッパ１１の故障を検出できる。

Description

明 細 書

PMトラッパの故障検出システム 技術分野

本発明は、 PMトラッパの故障検出システムに関する。 背景技術

内燃機関の排気中の微粒子物質（Pa r t i c u l a t e Ma t t e r、以下 「PM」 と略す） を捕集する PMトラッパを備えた排気浄ィ匕システムにおいては、 PMトラッパにある程度の量の PMが捕集された段階で、捕集された PMを酸化さ せて P Mトラツバから除去する再生処理が行われる。

ところで、何らかの原因によって過捕集状態になった PMトラッパに対して再生 処理が行われた場合、大量の PMが急激に酸化反応し、その際に発生する反応熱に よって PMトラッパが溶損する等の故障が生じる場合がある。

従来よりこのような故障を早期に検出することを目的とした技術が提案されて いる。 例えば、 特開平 6— 323127号公報には、 再生処理終了直後の PMトラ ツバの前後差圧と新品時の P Mトラッパの前後差圧の最低値との比較に基づいて P Mトラツバの故障を検出する技術が開示されている。

また、 特開 2004— 308454号公報には、 PMトラッパの下流における排 気の圧力を検出し、その脈動振幅を算出し、その脈動振幅が所定値を上回るときに 故障が生じたものと判断することによって、 PMトラッパの故障を正確に、 且つ故 障発生後早期に検知することを図る技術が開示されている。

また、特開 2003— 155920号公報には、 P Mトラッパの前後の差圧を計 測する差圧センサと、差圧センサによる実測の差圧に基づき背圧の異常な上昇が確 認された時に PMトラッパが目詰まりしていると判定し、 且つ、 背圧の異常な低下 が確認された時に PMトラッパが溶損していると判定する判定装置と、 を備え、 さ らに、経時的なアッシュの堆積による背圧上昇分を実測の差圧から差し引いて判定 するように判定装置を構成することにより、 PMトラッパに生じた目詰まりや溶損 を確実に判定し得る PMトラッパの異常検知装置が開示されている。

また、 特開 2004— 353606号公報には、 排気通路に設けられ酸化能力を 有する前段触媒と、 前段触媒の下流に設けられた PMトラッパと、 前段触媒の上流 から還元剤を供給する還元剤供給手段と、 を備え、 還元剤供給手段により還元剤を 供給して P Mトラッパに捕集された P Mを除去し P Mトラッパの再生を行う内燃 機関において、前段触媒より下流且つ PMトラツバより上流の排気の温度を検出す る第 1の排気温度センサと、 P Mトラッパょり下流の排気を検出する第 2の排気温 度センサと、 を備え、 還元剤供給手段による PMの除去を開始指定から所定時間経 過後に第 1の排気温度センサによって検出された排気温度と第 2の排気温度セン ザによって検出された排気温度との差が大きいほど前段触媒の劣化度合が大きい と判定する技術が開示されている。

また、 特開 2005 - 20 1 1 19号公報には、 排気通路に設けられた NO x触 媒と、 N〇x触媒の下流に設けられた DPNR触媒と、 N〇x触媒を通過した直後 の排気の温度を検出する第 1の温度センサと、 DPN R触媒を通過した直後の排気 の温度を検出する第 2の温度センサと、 を備え、 第 1の温度センサによって検出さ れる排気温度と第 2の温度センサによって検出される排気温度との差に基づいて NO X触媒の詰まりを診断する技術が開示されている。

また、 特開 2004— 132358号公報には、 PMトラッパにおける PM堆積 量を推定し、 この推定結果に基づいて PMトラッパの再生処理を行うようにした制 御装置において、 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 PMトラッ パの前後における排気の圧力差に基づいて PMトラッパにおける PM堆積量を推 定する第 1の推定手段と、内燃機関の運転状態に基づいて P Mトラッパにおける P M堆積量を推定する第 2の推定手段と、第 1の推定手段によって得られた P M堆積 量の推定値と第 2の推定手段によつて得られた P M堆積量の推定値との差を演算 する差演算手段と、 を備え、差演算手段及び運転状態検出手段に応答し第 1の推定 手段又は第 2の推定手段のいずれか一方によって得られた推定値を選択し、選択さ れた推定値に従って P M卜ラッパの再生処理タイミングを決定することによって、 P Mトラツバの再生処理を適切なタイミングで実行することを図る技術が開示さ れている。 発明の開示

P Mトラッパの前後差圧は差圧センサによって検出することが一般的であるが、 差圧センサの検出値にはオフセット誤差が含まれる。オフセット誤差とは、 同一の 条件下において常に差圧センサの検出値が差圧センサへの入力値から一定値だけ ずれる系統誤差である。オフセット誤差が存在するため、差圧センサの検出値の絶 対値に基づく従来の故障判定方法では、特に P Mトラッパの故障の程度が小さい場 合に精確な故障判定を行えない可能性がある。

そこで、精確な故障判定を行うためには、差圧センサの検出値からオフセット誤 差を除去する必要があるが、オフセット誤差の現れ方は差圧センサの個体毎に異な るため、あらゆる差圧センサに適用可能な系統的な方法によつて差圧センサの検出 値からオフセット誤差を除去することは困難であった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、 P Mトラッパの故障を より精確に検出することを可能にする技術を提供することを主たる目的とするも のである。

上記目的を達成するため、本発明の P Mトラッパの故障検出システムは、 内燃機 関の排気中の微粒子物質を捕集する P Mトラッパと、前記 P M卜ラッパの前後差圧 を検出する差圧センサと、前記内燃機関の運転状態の変化に伴う前記 P Mトラッパ の前後差圧の変化量に基づいて前記 P M卜ラッパの故障を検出する故障検出手段 と、 を備えることを特徴とする。

この構成によれば、故障検出手段は、 内燃機関の異なる運転状態における P Mト ラッパの前後差圧を差圧センサによって検出し、該検出値の差に基づいて P Mトラ ツバの故障判定を行う。 例えば、 上記の内燃機関の異なる運転状態間における、 正 常な P Mトラッパの前後差圧の変化量を予め実験等により求めておき、これを基準 値として前記検出値の差と比較することによって、 P Mトラツバの故障判定を行う。 このように、異なる運転状態における差圧センサの検出値の差をとることによつ て、差圧センサの検出値の絶対値に含まれるオフセット誤差を相殺することができ る。 従って、 より精確に差圧センサの故障を検出することが可能になる。

ところで、差圧センサのオフセット誤差は差圧センサの雰囲気温度（例えば排気 温度） に依存して変化する場合がある。 すなわち、 同じ差圧センサであっても、 差 圧センサの雰囲気温度が変化すると、それに伴ってオフセット誤差も変化する場合 がある。

この場合、上述のように異なる運転状態における差圧センサの検出値の相対値を 計算したとしても、各運転状態における差圧センサの雰囲気温度が著しく異なると、 各運転状態における差圧センサの検出値に含まれるオフセット誤差の値も異なる 可能性がある。 そのため、 オフセット誤差を十分に相殺できない虞がある。

そこで、本発明においては、差圧センサの雰囲気温度の変化量が所定量以下であ るような運転状態の変化に伴う前記 P Mトラッパの前後差圧の変化量に基づいて 前記 P Mトラッパの故障を検出するようにしても良い。所定量とは、差圧センサの オフセット誤差がほぼ変化しないような雰囲気温度の変化量であり、予め実験等に より求められる。例えば、 一定の短い時間内の異なる運転状態における差圧センサ の検出値の差を求めるようにすれば、差圧センサの雰囲気温度の変化は小さくなる。 これにより、各運転状態における差圧センサの検出値に含まれるオフセット誤差 は略等しい値となるため、各運転状態における差圧センサの検出値の相対値をとる ことによって、 より確実にオフセット誤差を相殺することができる。 その結果、 よ り精確に P Mトラツバの故障判定を行うことが可能になる。

本発明においては、内燃機関の運転状態の変化に伴う吸入空気量の変化量と P M トラッパの前後差圧の変化量との比率 （以下 「差圧変化率」 という） に基づいて P Mトラッパの故障を検出しても良い。

P Mトラツバの前後差圧と吸入空気量との間には正の相関関係がある。 P Mトラ ツバが故障すると P Mトラッパに穴が開いたような状態になるため、吸入空気量が 増加しても P Mトラッパの前後差圧は大きくなりにくくなる。すなわち、 前記相関 関係の相関係数は P Mトラツバが故障すると P Mトラツバが正常な場合と比較し て小さくなる傾向がある。従って、差圧変化率も P Mトラッパが故障した場合 P M 卜ラツバが正常な場合と比較して小さくなる。

そのため、 P Mトラッパが正常な場合の差圧変化率を予め実験等により求め、 こ れを基準値として、異なる運転状態の各々における差圧センサの検出値の相対値に 基づいて算出された差圧変化率と比較することによって、 P Mトラッパの故障判定 をすることができる。

この場合も、 P Mトラッパの前後差圧の変化量が差圧センサの検出値の相対値に よって求められるので、差圧センサのオフセット誤差が相殺され、 より精確に P M トラッパの故障判定を行うことができる。 図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施例における内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す 図である。

図 2は、本発明の実施例における P Mトラツバが正常であると判定可能な P Mト ラッパの前後差圧の下限値を吸入空気量毎に示したグラフである。

図 3は、本発明の実施例における P Mトラツバの故障判定ルーチンを示すフロー チヤ一卜である。

図 4は、本発明の実施例における P Mトラッパが正常な場合と故障している場合 との各々における吸入空気量と P Mトラッパの前後差圧との相関関係を示すグラ フである。 発明を実施するための最良の形態

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく 説明する。 本実施例に記載されている構成部品の寸法、 材質、 形状、 その相対配置 等は、特に特定的な記載がない限りは、 発明の技術的範囲をそれらのみに限定する 趣旨のものではない。

(実施例 1 ) .

図 1は本発明の P Mトラツバ故障検出システムが適用される内燃機関の吸 ·排気 系の概略構成を示す図である。

図 1に示す内燃機関 1は、 4つの気筒を有するディーゼルエンジンである。 内燃機関 1には、 吸気マ二ホールド 2が接続されており、 吸気マ二ホールド 2の 各枝管は吸気ポートを介して各気筒の燃焼室と連通している。吸気マ二ホールド 2 には吸気通路 8が接続されている。吸気通路 8の途中には吸気通路 8を流れるガス を冷却するインタークーラ 4が設けられている。 インタークーラ 4より上流には、 排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチャージャ 5のコンプレッサハ ウジング 6が設けられている。 コンプレッサハウジング 6より上流には、 エアクリ ーナ 1 5が設けられている。

内燃機関 1には、 排気マ二ホールド 3が接続されており、排気マ二ホールド 3の 各枝管は排気ポートを介して各気筒の燃焼室と連通している。排気マ二ホールド 3 にはターボチャージャ 5の夕一ビンハウジング 7が接続されている。タービンハウ ジング 7には排気通路 9が接続されている。排気通路 9には排気浄化装置 17が設 けられている。排気浄化装置 17より下流において排気通路 9は大気に開放されて いる。 排気浄化装置 17は、 排気中の PMを捕集する PMトラッパ 11と、 PMト ラッパより上流に配置された酸化触媒 10とから構成されている。

排気マ二ホールド 3と吸気マ二ホールド 2とは E G R通路 14を介して連通し ている。 EGR通路 14を経由して排気の一部が内燃機関 1の燃焼室に再循環する。 これにより燃焼室における燃焼温度が低下して燃焼過程における窒素酸化物の発 生量が減少する。

エアクリーナ 15より下流の吸気通路 8には、吸気通路 8を流れる吸気の量を検 出するエアフローメ一夕 19が設けられている。排気通路 9には、 排気浄化装置 1 7の上流と下流における排気圧力の差圧を検出する差圧センサ 20が設けられて いる。ェアフロ一メ一夕 19及び差圧センサ 20は電気配線を介して後述する EC U 16に接続されており、エアフローメータ 19及び差圧センサ 20の検出値が E CU16に入力されるようになっている。

内燃機関 1には、内燃機関 1を制御する電子制御コンピュータである ECU 16 が併設されている。 ECU16は図示しない ROM、 RAM、 CPU,入力ポート、 出力ポート等を備え、 内燃機関 1の運転状態や運転者による要求に応じて、 燃料噴 射制御等の既知の制御や P Mトラッパの故障判定等を行う。

PMトラッパ 11に所定量の PMが捕集された段階で、 PMトラッパ 11の再生 処理が行われる。 ここで、 所定量とは、 内燃機関 1の機関出力に影響を与える虞が ない P M堆積量の上限値に基づいて定められる量であり、予め実験により求められ る。 再生処理は、 具体的には、 内燃機関 1において、 トルクを発生させるための主 噴射とは別に副噴射を行う。 これにより排気の温度が上昇し、 高温の排気によって PMトラッパ 1 1が昇温され、 PMトラッパ 11に堆積した PMの酸化反応が促進 される。 なお、 排気浄化装置 17より上流を流れる排気中に還元剤として燃料を添 加してもよい。 この場合排気中に添加された燃料は酸化触媒 10において酸化反応 し、 その際に発生する反応熱によって PMトラッパ 11が昇温され、 PMトラッパ 11に堆積した PMの酸化反応が促進される。

ところで、 PM卜ラッパ 1 1が過捕集状態の時に再生処理が行われると、 PMの 酸化反応力急激に進行して非常に大きな反応熱が発生し、 PMトラッパ 11が溶損 する等の故障が生じる場合がある。 この場合、 PMトラッパ 11に穴が開いた状態 となり、 PM捕集能力が低下するため、 可及的早期に PMトラッパ 11の故障を検 出する必要がある。

PMトラッパ 11に溶損等の故障が生じると、 PM卜ラッパ 11が正常な時と比 較して PMトラッノ、 °11における圧力損失が小さくなるため、 PM卜ラッパ 11の 前後差圧が小さくなる。 この傾向を利用して、 PMトラッパ 11の前後差圧に基づ いて PMトラッパ 1 1の故障を検出することができる。

図 2は、正常な PMトラツバ 11の前後差圧の下限値を吸入空気量毎に示したグ ラフである。 図 2の横軸は吸入空気量を表し、 縦軸は PMトラッパ 11の前後差圧 を表す。 この下限値を基準値として、 差圧センサ 20の検出値に基づいて PMトラ ッパ 1 1の故障判定が行われる。 すなわち、 差圧センサ 20の検出値が基準値以上 であれば PMトラッパは正常であると判定され、差圧センサ 20の検出値が基準値 未満であれば PMトラッパは故障していると判定される。

ところで、 差圧センサ 20による検出値にはオフセット誤差が含まれる。 オフセ ット誤差とは、同一の条件下において常に差圧センサ 20の検出値が差圧センサ 2 0への入力値から一定値だけずれる系統誤差である。オフセット誤差が存在するた め、差圧センサ 20の検出値の絶対値と基準値との比較に基づく従来の故障判定方 法では、特に PMトラッパ 11の故障の程度が小さい場合に精確な故障判定を行え ない場合がある。 そこで、本実施例では、所定の条件を満たす 2つの異なる運転状態間の吸入空気 量の変化量に対する P Mトラッパ 1 1の前後差圧の変化量の比率（以下「差圧変化 率」 という） に基づいて P Mトラッパ 1 1の故障判定を行うようにした。所定の条 件を満たす 2つの運転状態とは、 2つの運転状態間の吸入空気量の変化量が所定量 以上であり、 かつ、 2つの運転状態間の時間間隔が所定時間以内であるような運転 状態である。

ここで、所定量とは、 P M卜ラッパ 1 1が正常な場合と故障している場合との間 で、 P Mトラッノ、° 1 1の前後差圧の変化量の差異が顕著に現れるように予め定めら れた吸入空気量の変化量であり、 例えば 2 0 g Z s以上の値とされる。 また、 所定 時間とは、差圧センサ 2 0の雰囲気温度が殆ど変化しない時間間隔であり、 予め定 められている。

すなわち、 本実施例における所定の条件を満たす 2つの異なる運転状態は、短時 間の間に吸入空気量が大きく変化するような運転状態であり、例えば、加速時や減 速時に上記の条件を満たす運転状態が実現し易い。

本実施例の P Mトラッパ 1 1の故障判定方法では、 P Mトラッパ 1 1の前後差圧 の変化量は、 2つの異なる運転状態の各々における差圧センサ 2 0の検出値の差に よって求められる。この 2つの運転状態間で差圧センサ 2 0の雰囲気温度が略等し くなるように 2つの運転状態は選択されるので、差圧センサ 2 0のオフセット誤差 は 2つの運転状態の各々において略等しい。従って、 2つの運転状態の各々におけ る差圧センサ 2 0の検出値の相対値を求めることによって、各検出値に含まれるォ フセット誤差は相殺される。 これにより、 より精確に差圧変化率を求めることがで き、 より精確に P Mトラッパ 1 1の故障を判定することができる。

また、 2つの運転状態間の吸入空気量の変化量が大きいため、 P Mトラッパ 1 1 の故障の程度が小さい場合であっても、正常な P M卜ラッパ 1 1と比較した場合の 差圧変化率の差異が顕著に現れ易くなり、より確実に P Mトラッパ 1 1の故障を検 出することが可能になる。

以下、 ECU16によって行われる PM卜ラッパ 1 1の故障判定について、 図 3 のフローチャートに基づいて説明する。図 3のフローチャートは PMトラッパ 1 1 の故障判定を行うためのルーチンを示すフローチャートであり、 このルーチンは E CU16によって所定期間毎 （例えば、 16ms毎） に繰り返し実行される。 まず、 ステップ S 301において、 ECU16は、 ェアフロ一メータ 19の検出 値から低負荷時の吸入空気量 G a 1を取得する。

次いで、 ステップ S 302において、 前記ステップ S 301で検出した吸入空気 量 Ga 1が第 1基準空気量 GaS 1より小さいか否かを判定する。ステップ S 30 2で肯定判定された場合 （Ga l<GaS 1)、 E C U 16はステップ S 303に 進む。 一方、 ステップ S 302で否定判定された場合 （Ga l≥GaS l)、 EC Ul 6は本ルーチンの実行を一旦終了する。第 1基準空気量 GaS 1は予め定めら れている。

ステップ S 303では、 ECU 16は、 差圧センサ 20の検出値から低負荷時の PMトラッパ 11の前後差圧 dP 1を取得する。

次いで、 ステップ S 304において、 ECU 16は、 タイマーカウン夕 tを 0に リセットしてから、 タイマーカウンタ tのカウン卜をスター卜する。 この夕イマ一 カウンタは、前記ステップ S 303で PMトラッパ 11の前後差圧 dP 1を検出し てからの経過時間を表す。

次に、 ステップ S 305において、 ECU16は、 エアフローメータ 19の検出 値から高負荷時の吸入空気量 G a 2を取得する。

次いで、 ステップ S 306において、 前記ステップ S 305で検出した吸入空気 量 Ga 2が第 2基準空気量 GaS 2より大きいか否かを判定する。ステップ S 30 6で肯定判定された場合 （Ga 2〉GaS 2)、 ECU 16はステップ S 307に 進む。 一方、 ステップ S 306で否定判定された場合 （Ga 2≤GaS 2)、 EC Ul 6はステップ S 309に進む。第 2基準空気量 G a S 2は第 1基準空気量 Ga S 1より上述した所定量だけ大きい値として予め定められている。

ステップ S 307では、 ECU 16は、 タイマーカウン夕 tが基準時間 t 0より 小さいか否かを判定する。 ステップ S 307で肯定判定された場合 （t<t O)、 ECU 16はステップ S 308に進み、差圧センサ 20の検出値から高負荷時の P Mトラッパ 11の前後差圧 d P 2を取得する。

一方、 ステップ S 307で否定判定された場合 （t≥t 0)、 ECU 16は本ル —チンの実行を一旦終了する。基準時間 t 0は上述した所定時間に基づいて予め定 められている。

ステップ S 309では、 ECU 16は、 タイマーカウン夕 tが基準時間 t 0より 小さいか否かを判定する。 ステップ S 309で肯定判定された場合 （t<t 0)、 ECU 16はステップ S 305に戻る。 一方、 ステップ S 309で否定判定された 場合 （t≥t 0)、 ECU 16は本ルーチンの実行を一旦終了する。

ステップ S 310では、 ECU16は、 差圧変化率 Rを算出する。 ここで、 差圧 変化率 Rは吸入空気量の変化量 AGaに対する PMトラッパ 1 1の前後差圧の変 化量 ΔάΡの比率として定義され、 本ルーチンの場合 R = Ad PZAGa= (dP 2-dP 1) / (Ga 2-Ga 1) によって算出される。

次に、 ステップ S 31 1において、 ECU16は、 前記ステップ S 310で算出 した差圧変化率 Rが基準差圧変化率 R0より小さいか否かを判定する。 ここで、 基 準差圧変化率 R0は、 正常な PMトラッパ 11の差圧変化率であり、 予め実験等に より求められている。

前記ステップ S 311において肯定判定された場合（R<R0)、 ECU16は、 ステップ S 312において PMトラッパ 1 1は故障していると判定して本ル一チ ンの実行を一旦終了する。 一方、 前記ステップ S 311において否定判定された場 合 （R≥R0)、 ECU 16は、 ステップ S 313において PMトラッパ 11は正 常であると判定して本ルーチンの実行を一旦終了する。

図 4は、 PMトラッパ 11が正常な場合と故障している場合との各々における吸 入空気量と差圧との相関関係を示すグラフである。図 4の横軸は吸入空気量を表し、 縦軸は PMトラッパ 11の前後差圧を表す。 図 4に示すように、 PMトラッパ 1 1 が故障している場合は、 PMトラッパ 1 1が正常な場合と比較して、差圧変化率（図 4における直線の傾き） が小さくなつている。 図 4の ΔάΡΟは、 吸入空気量が Δ G a変化した時の、正常な PM卜ラッパ 11における前後差圧の変化量を表してい る。 すなわち、 R0= \dP OZAGaが成り立つ。

なお、 以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、 本発明の 本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。例え ば、 上記の PMトラッパ 11の故障判定ルーチンは、 吸入空気量が増加傾向である 場合 （例えば加速時等） に PMトラッパ 11の故障を判定するルーチンであるが、 吸入空気量が減少傾向である場合 （例えば減速時等） においても、 同様の故障判定 ルーチンによって PMトラッパ 1 1の故障判定を行うことができる。 この場合、 ま ず第 2基準空気量より大きい高負荷時の吸入空気量を取得し、その後所定時間以内 に第 1基準空気量より少ない低負荷時の吸入空気量を取得して、差圧変化率を求め る。 産業上の利用可能性

本発明により、 PMトラッパの故障をより精確に検出することが可能になる。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 内燃機関の排気中の微粒子物質を捕集する PMトラツバと、

前記 PMトラッパの前後差圧を検出する差圧センサと、

前記内燃機関の運転状態の変化に伴う前記 PMトラッパの前後差圧の変化量に 基づいて前記 PMトラッパの故障を検出する故障検出手段と、

を備えることを特徴とする P Mトラッパの故障検出システム。

2. 請求項 1において、

前記故障検出手段は、前記差圧センサの雰囲気温度の変化量が所定量以下である ような前記内燃機関の運転状態の変化に伴う前記 P M卜ラッパの前後差圧の変化 量に基づいて前記 PMトラッパの故障を検出することを特徴とする PMトラッパ の故障検出システム。

3. 請求項 1又は 2において、

前記故障検出手段は、前記内燃機関の運転状態の変化に伴う吸入空気量の変化量 と前記 PMトラツバの前後差圧の変化量との比率に基づいて前記 PMトラツバの 故障を検出することを特徴とする P Mトラツバの故障検出システム。