WO2013076869A1

WO2013076869A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2013076869A1
Application number: PCT/JP2011/077210
Authority: WO
Inventors: 達弘橋田; 西嶋　大貴
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-30
Also published as: AU2011381683A1; JPWO2013076869A1; US20140366511A1; EP2784277B1; EP2784277A1; CN103946494A; AU2011381683B2; CN103946494B; EP2784277A4; US9238986B2; JP5794311B2

Abstract

　本発明の内燃機関（２）の制御装置において、内燃機関（２）は、排気経路（４）に配置されたＳＣＲシステム（８）と、該ＳＣＲシステム（８）の下流に配置された微粒子センサ（１４）とを備える。この制御装置は、微粒子センサ（１４）に、微粒子捕集用電圧を印加し、微粒子捕集用電圧の印加開始後の第１タイミングにおける微粒子センサ（１４）の出力を取得する。この出力に応じて所定の制御を実行する。更に、この制御装置は、微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの、ＳＣＲシステム（８）下流に排出される尿素関連物質が増加する所定の運転状態での内燃機関の積算運転時間が、基準時間に達した第２タイミングの方が、第１タイミングより早い場合に、所定の制御を中止する。

Description

内燃機関の制御装置

　この発明は内燃機関の制御装置に関する。更に具体的には、排気経路に微粒子センサを備えた内燃機関を制御する制御装置に関するものである。

　例えば、特許文献１のシステムには、内燃機関の排気経路の微粒子（particulate matter；以下「ＰＭ」とも称する）を検出するためのＰＭセンサ（微粒子センサ）が配置されている。このＰＭセンサは、絶縁基材と、互いに間隔を開けて絶縁基材上に配置された一対の電極とを備えている。

　このＰＭセンサの一対の電極間に排気ガス中のＰＭが堆積すると、電極間の導電性が変化する。堆積したＰＭ量と電極間の導電性との間には一定の相関があり、電極間へのＰＭ堆積量に応じて電極間の抵抗が変化する。また電極間に堆積したＰＭ量と排気ガス中のＰＭ量との間には相関がある。従って、ＰＭセンサの電極間の抵抗値を検出することで排気ガス中のＰＭ量を検出される。

　ところで、特許文献１の技術では、ＰＭセンサは微粒子捕集用フィルタ（Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」とも称する）の下流に配置されている。特許文献１では、ＰＭセンサの電極間の抵抗値に基づいて、ＤＰＦ下流に排出されたＰＭ量を検出することで、ＤＰＦの故障の有無の判定等が実行される。

日本特開２００９－１４４５７７号公報

　内燃機関の排気経路にＮＯｘ浄化のための尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが配置され、その下流にＰＭセンサが配置されるシステムがある。ＳＣＲシステムでは排気経路に尿素水が噴射供給され、尿素水から生成されるアンモニアにより、触媒でＮＯｘが還元される。

　しかし供給された尿素及び尿素由来の物質（以下、尿素及び尿素由来の物質を含んで「尿素関連物質」とも称することとする）がＳＣＲシステムを通過して、下流側に排出される場合がある。下流に排出された尿素関連物質は、ＰＭセンサの電極に付着すると、ＰＭセンサの電極間の抵抗値を変化させる。その結果、ＰＭセンサの出力にばらつきが生じたり、ＰＭセンサの感度が低下したりすることがある。ＰＭセンサの出力ばらつきや感度の低下は、例えばＤＰＦの故障検出に誤判定を生じさせるなどの事態を生じ得るため、好ましいものではない。

　本発明は、上記課題を解決することを目的とし、ＰＭセンサの電極への尿素関連物質の付着による影響を抑え、より高い精度でＰＭ量の検出やＤＰＦの故障検出を行うことができるように改良した内燃機関の制御装置を提供するものである。

　上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気経路に配置されたＳＣＲシステムと、該ＳＣＲシステムの下流に配置された微粒子センサとを備える内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、微粒子センサに、微粒子捕集用電圧を印加する手段と、微粒子捕集用電圧の印加開始後の、第１タイミングにおける微粒子センサの出力に応じて、所定の制御を実行する手段とを備える。また、本発明の内燃機関の制御装置は、微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの、ＳＣＲシステム下流に排出される尿素関連物質が増加する所定の運転状態での内燃機関の積算運転時間が、基準時間に達した第２タイミングの方が、第１タイミングより早い場合に、所定の制御を中止する手段を備える。ここで、所定の制御の「中止」には、その所定の制御の長期的かつ継続的な中止、短期的な中止、例えば、制御のタイミングを変更してその制御を実行する場合の一時的な中止などが含まれる。また、「尿素関連物質」には、ＳＣＲシステムに供給される尿素及び尿素水由来の物質が含まれるものとする。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、第２タイミングの方が第１タイミングより早い場合に、微粒子センサの素子部を昇温させて、微粒子センサに堆積する微粒子を燃焼除去する制御を実行する手段を、更に備えるものとしてもよい。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、排気経路の微粒子センサの上流には、微粒子を捕集するための微粒子捕集用フィルタが配置された内燃機関に適当できる。この場合、本発明における「所定の制御」は、微粒子センサの出力に基づき、微粒子捕集用フィルタの故障の有無を判定する制御であるものとしてもよい。

　この場合、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関から排出された微粒子の、微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの積算量である積算排出量を推定する手段を更に備えるものとし、第１タイミングを積算排出量が基準量に達したときとすることもできる。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、第２タイミングの方が、第１タイミングよりも早い場合に、第２タイミングにおける微粒子センサの出力に応じて、所定の制御を実行する手段を、更に備えるものとすることもできる。

　また、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関から排出された微粒子の、微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの積算量である積算排出量を推定する手段と、基準時間を、積算排出量に応じて設定する手段とを、更に備えるものとすることもできる。

　尿素関連物質が排出される環境下での内燃機関の運転時間が長くなると、微粒子センサへの尿素関連物質の堆積量が増加するため、微粒子センサの出力にずれが生じる場合がある。これに対し、本実施の形態によれば、所定の制御のための微粒子センサの出力を検出するタイミングよりも前に、尿素関連物質の排出が増加する運転状態での積算運転時間が基準時間に達したときには、その所定の制御が中止される。従って、尿素関連物質の堆積によりセンサ出力にずれが生じ得る場合に、所定の制御がそのセンサ出力に応じて行われるのを抑制することができる。従って、所定の制御の精度の低下が抑制される。

　また、本発明において、所定の制御のための微粒子センサの出力を検出する第１タイミングよりも前に、尿素関連物質の排出が増加する運転状態での積算運転時間が基準時間に達した場合、微粒子センサに堆積する微粒子を燃焼除去する制御を実行するものについては、微粒子センサの素子部に付着した微粒子と共に、尿素関連物質を除去することができる。従って、効率的に尿素関連物質を除去することができ、微粒子センサの出力ずれが生じるのを効果的に抑制することができる。

　本発明において、所定の制御として微粒子捕集用フィルタの故障検出制御を行うものについては、尿素関連物質の堆積によりずれが生じたセンサ出力によって、故障の有無に関して誤判定が生じるのを抑制することができる。

　本発明において、基準時間を、内燃機関から排出される微粒子量に応じて設定するものについては、例えば、尿素関連物質が増加する運転状態が多いような場合より早い段階で尿素関連物質の影響が検討でき、効率的に各種制御を実行することができる。

本発明の実施の形態１におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。本発明の実施の形態１のＰＭセンサの素子部の構成について説明するための模式図である。本発明の実施の形態１における通常時のＤＰＦの故障検出の制御について説明するための図である。尿素水の温度に対する状態の変化について説明するための図である。本発明の実施の形態１における故障検出の制御について説明するための図である。本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態２におけるＰＭの積算排出量と基準時間との関係について説明するための図である。本発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態２において制御装置が実行する他の制御例のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
[本実施の形態１のシステムの全体構成について]
　図１は、この発明の実施の形態１のシステムの全体構成について説明するための図である。図１のシステムは車両等に搭載されて用いられる。図１に示すシステムにおいて、内燃機関２の排気経路４には、微粒子捕集用フィルタであるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）６が設置されている。ＤＰＦ６は、排気ガスに含まれる粒子状物質である微粒子（ＰＭ;particulate matter）を捕集するフィルタである。

　排気経路４のＤＰＦ６の下流には、尿素ＳＣＲシステム８（以下、「ＳＣＲシステム」とも称する）が配置されている。ＳＣＲシステム８は、排気経路４に設置された尿素水の噴射弁１０と、排気経路４の噴射弁１０の下流に配置された選択還元型ＮＯｘ触媒１２（以下、単に「ＮＯｘ触媒」とも称する）とを有している。噴射弁１０は、図示しない尿素水タンクに接続され、ＮＯｘ触媒１２上流において排気経路４内に尿素水を噴射する。後述するように、噴射された尿素水は分解されアンモニアが生成される。ＮＯｘ触媒１２はアンモニアを還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを還元し、排気ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１２の下流には、ＰＭセンサ１４（微粒子センサ）が設置されている。

　このシステムは制御装置１６を備えている。制御装置１６の入力側には、ＰＭセンサ１４の他、内燃機関２の各種センサが接続されている。また、制御装置１６の出力側には、内燃機関２のＰＭセンサ１４の電気回路、噴射弁１０や、その他各種のアクチュエータが接続されている。制御装置１６は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータ等を作動させることにより、内燃機関２の運転に関する種々の制御を実行する。

　図２は、本実施の形態１のＰＭセンサ１４の素子部の構成について説明するための模式図である。図２に示されるように、ＰＭセンサ１４の素子部は絶縁基材１８を備えている。絶縁基材１８の表面には、一対の電極２０、２２が形成されている。一対の電極２０、２２は互いに接触しない状態で、一定の間隔を開けて配置されている。電極２０、２２それぞれは櫛歯形状に形成された部分を有し、この部分において互いに噛み合うように形成されている。なお、本実施の形態１では櫛歯形状を有する電極２０、２２を例示したが、本発明においてはこのような形状に限らず、一対の電極が互いに向き合っているものであればよい。絶縁基材１８内部の電極２０、２２の下層には、図示しないヒータが埋め込まれている。

　一対の電極２０、２２は電気回路等を介して電源（図示せず）に接続されている。これにより電極２０と電極２２との間には高電圧が印加される。またヒータは、電気回路等を介して電源（図示せず）に接続されており、これによりヒータには所定の電力が供給され、その結果、素子部が加熱される。これらの電力供給は制御装置１６により制御される。

[本実施の形態１における制御の概要]
　本実施の形態１において、制御装置１６が行う制御には、下記のＰＭ量の検出、ＰＭセンサ１４のリセット、ＤＰＦ６の故障検出、及び、ＤＰＦ６の再生等の制御が含まれる。

　なお、以下の実施の形態において、ＤＰＦ６の捕集対象であり、ＰＭセンサ１４の計測対象であるＰＭは、スート（カーボン等のすす状物質）やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction;可溶性有機フラクション）等の内燃機関の燃焼に由来する物質や、潤滑油由来のＡｓｈ（すす）など、内燃機関２の運転により内燃機関２から排出された粒子状物質を意味するものとする。

（１）ＰＭ量の検出
　ＰＭ排出量の検出に際し、電極２０、２２間にＰＭを捕集するための高電圧である「捕集用電圧」が印加される。電極２０、２２間に捕集用電圧が印加されると、排気ガス中のＰＭが捕集され電極２０、２２間に堆積する。電極２０、２２間に堆積するＰＭが増加するにつれて、電極２０、２２間の導通箇所が増加し、電極２０、２２間の抵抗値が小さくなる。

　本実施の形態１では、ＰＭセンサ１４のセンサ出力として電極２０、２２間の抵抗と相関を有する電気的特性を検出する。このＰＭセンサ１４の出力（以下「センサ出力」とも称する）に基づいて、電極２０、２２に堆積したＰＭ量が検出される。電極２０、２２に堆積するＰＭ量は、排気ガス中に含まれるＰＭ量の変化に連動して変化する。従って、センサ出力に基づいて検出されるＰＭ量は、ＤＰＦ６下流に排出されたＰＭ量の指標とされる。

　なお、以下の実施の形態では、便宜的に、センサ出力が電極２０、２２間のＰＭ堆積量が増加するにつれて大きくなるものとして説明する。但し、本発明においてはこれに限られるものではなく、逆に、ＰＭ量が増加するに連れて小さくなる電気的特性を出力とするものであってもよい。

（２）ＰＭリセット（微粒子を燃焼除去する制御）
　センサ出力は、電極２０、２２間へのＰＭ堆積量が増加するにつれて増加する。しかし、電極２０、２２間への堆積量が限界値に達すると、センサ出力は、もはやそれ以上の変化をしなくなる。この状態となると、ＰＭセンサ１４は、排気ガス中のＰＭ量に応じた出力を発することができなくなる。従って、所定のタイミングで、素子部に堆積しているＰＭを一度除去する必要がある。このＰＭを除去する処理を「ＰＭリセット」とも称する。

　ＰＭリセットに際し、制御装置１６は、ＰＭセンサ１４のヒータに所定の電力を供給し、ＰＭセンサ１４の素子部を、ＰＭが燃焼除去される温度にまで過熱昇温させる。これにより、ＰＭセンサ１４の素子部に付着したＰＭを燃焼除去させる。なお、ここでＰＭリセット期間中の素子部の温度は、500℃より高く、より好ましくは700℃より高いものとする。もしくは、ＰＭリセット期間中の素子部の目標温度を500℃より高く、より好ましくは700℃より高く設定して、ヒータに電力を供給してもよい。ＰＭが燃焼する温度が約500℃～約650℃であるため、リセット温度は700℃以上（好ましくは700℃～800℃）とすると、ＰＭの燃焼の確実性を高めることができる。

　このＰＭリセットにより、ＰＭセンサ１４の素子部に堆積していたＰＭが除去されるため、例えば、以下のＤＰＦ６の故障検出の開始前、あるいは開始後、その他、ＤＰＦ６上に付着したＰＭの燃焼除去させるＤＰＦ６の再生処理後など、種々のタイミングでＰＭリセットが実行される。

（３）ＤＰＦの故障検出（微粒子捕集用フィルタの故障の有無の判定）
　ＤＰＦ６が故障すると、ＤＰＦ６をすり抜けＤＰＦ６の下流に排出されるＰＭ排出量が増加する。従って、ＤＰＦ６が故障している場合、ＰＭセンサ１４の電極２０、２２間に堆積するＰＭ堆積量は次第に増加し、その分センサ出力は大きくなる。従って、センサ出力に基づいてＤＰＦ６の故障検出を行うことができる。

　図３は、本発明の実施の形態１における通常時のＤＰＦ６の故障検出制御について説明するためのタイミングチャートである。図３のタイミングチャートにおいて、横軸は時間を表す。また（Ａ）は、ヒータ制御のタイミング、（Ｂ）はセンサ出力、（Ｃ）は積算排出量を表している。

　図３に示されるように、通常時のＤＰＦ６の故障検出においては、故障検出開始前の時刻Ｒ０～Ｔ０の間ヒータに電力が供給され、ＰＭリセットが実行される。これにより素子部に堆積するＰＭが除去される。その後、時刻Ｔ０においてヒータへの電力供給はＯＦＦとされる。

　ヒータがＯＦＦとされるのと同時に、時刻Ｔ０において、ＰＭセンサ１４に捕集用電圧が印加され、故障検出が開始される。捕集用電圧の印加開始後、内燃機関２から排出されたと推定されるＰＭ量の積算値（積算排出量）が、基準量ＰＭ１に達したタイミング（第１タイミング）Ｔ１で、センサ出力が検出される。検出されたセンサ出力と、判定の基準となる基準出力ＲＥＦ＿１とが比較され、センサ出力が基準出力ＲＥＦ＿１より大きい場合に、ＤＰＦ６の故障有りと判定される。

　なお、積算排出量は、たとえば、内燃機関２の機関回転数、トルク、ＥＧＲ等をパラメータとし、所定のモデルに従って算出される。基準量ＰＭ１は、ＰＭセンサ１４に、ＰＭ量に応じた出力を発するのに必要なＰＭが堆積し、かつ、ＤＰＦ６の故障の有無を判断するのに十分とされる量に設定され、予め制御装置１６に記憶される。また、故障の有無の判定の基準となる基準出力ＲＥＦ＿１は、ＤＰＦ６が正常である場合に許容される、ＤＰＦ６下流へのＰＭの排出量の積算値に応じたセンサ出力に、許容される誤差分等を含めるなどして適正な値に設定される。この基準出力ＲＥＦ＿１は、制御装置１６に予め記憶される。

　なお、上記図３に示す、第１タイミングＴ１でのセンサ出力に基づきＤＰＦ６の故障の有無を判定する故障検出の制御を、以下の実施の形態では、便宜的に「通常時」の故障検出の制御と称するものとする。

［本実施の形態１の特徴的な制御］
　本実施の形態１にはＳＣＲシステム８が配置されている。ＳＣＲシステム８では、噴射弁１０から尿素水が排気経路４に噴出される。排気経路４内及びＮＯｘ触媒１２において、次式（１）の熱分解反応と次式（２）の加水分解反応との結果、尿素水からアンモニア（ＮＨ_３）が生成される。
　　　ＣＯ（ＮＨ_２）_２→ＮＨ_３＋ＨＣＮＯ　　　　・・・・（１）
　　　ＨＣＮＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２　　　　・・・・（２）

　図４は、試料である尿素水の温度に対する状態変化を説明するための図である。図４に示されるように、約１００℃より低温では液体の尿素水の状態で存在するが、約１００℃を超えると水分が蒸発し尿素が結晶化する。尿素は約１３０℃に達すると液化する。さらに、約１３５℃で試料は熱分解反応（上記（１）式）を開始する。約１３０～１３５℃の温度域では、尿素は液体の状態となる。約１３５℃に達し、尿素が気化して上記（１）の熱分解された状態となる。更に、約１６０℃で尿素とイソシアン酸（ＨＣＮＯ）とが反応し、ビウレット（Ｃ_２Ｈ_５Ｎ_３Ｏ_２）の生成が開始する。更に、ビウレットを含む試料は、約１７５～１９０℃の温度域において液体となり、その後、約１９０℃に達するとビウレットが分解され、１９０℃より高温の温度域では、試料は、上記（１）、（２）のように十分に分解されアンモニアが生成される。

　ＮＯｘ触媒１２は、上記のように尿素水から生成されたアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元し、排気ガスを浄化する。しかし、ＮＯｘ触媒１２において、尿素水の熱分解反応（１）や加水分解反応（２）が不十分な状態であると、その反応過程で生成される尿素やイソシアン酸、ビウレット等、尿素水に由来の物質（以下「尿素関連物質」とも称する）が、還元剤として用いられないままＮＯｘ触媒１２の下流に排出される場合がある。以下の実施の形態において、尿素水に由来する尿素関連物質は、上述した内燃機関２の運転に由来するＰＭには含まれず、区別して表現するものとする。

　ＮＯｘ触媒１２の下流に排出された尿素関連物質は、ＰＭセンサ１４の電極２０、２２に堆積すると、電極２０、２２の導電性を変化させたり、電極２０、２２の感度を低下させたりする。この場合、センサ出力と排ガス中のＰＭ量との相関が崩れ、ＰＭ量の変化とは無関係に、センサ出力が急激に変動したり感度が低下したりすることが考えられる。このような場合、高い精度で安定してＤＰＦ６の故障検出等を実行することが難しい状態となる。従って、電極２０、２２間に付着した尿素関連物質は、除去することが望まれる。

　ところで、ＳＣＲシステム８下流側への尿素関連物質の排出量は、内燃機関２の特定の運転状態において特に増加しやすいことがわかっている。具体的な例としては、例えば、吸入空気量Ｇａが大きい場合には、排気ガスの流れも速くなるため、尿素関連物質がＳＣＲシステム８下流へ排出されやすい。同様に、尿素当量比が高い、即ち噴射弁１０からの尿素の投入量が多い場合や、ＮＯｘ触媒１２の温度が低温である場合などにも、尿素関連物質がＳＣＲシステム８下流へ排出されやすい。

　このように、尿素関連物質の排出量が多くなりやすい運転状態でＰＭセンサ１４が一定時間以上使用された場合に、特に、素子部への尿素関連物質の付着量が多くなり、センサ出力への影響が大きくなるものと予想される。

［本実施の形態１の特徴的な制御］
　従って、本実施の形態１のシステムでは、上述したＤＰＦ６の通常の制御と、尿素関連物質の付着による影響を考慮した下記の制御とを組み合わせて実行する。図５は、本発明の実施の形態１における制御について説明するためのタイミングチャートである。図５において横軸は時間を表している。また、（Ａ）はヒータ制御、（Ｂ）はセンサ出力、（Ｃ）は積算排出量、（Ｄ）は特定運転モードでの積算運転時間を表している。

　本実施の形態１では、ＳＣＲシステム８から尿素関連物質が排出されやすい特定運転モードが定められる。そして内燃機関２がこの特定運転モードに該当する条件を満たすモードで運転された時間の積算値（積算運転時間）がカウントされる。この積算運転時間が、基準時間ｔ１に達した場合に、ＰＭセンサ１４の素子部への尿素関連物質の堆積量がこれ以上は無視できない程度に増加していると判断される。

　ここでは、図５に示されるように、積算運転時間が基準時間ｔ１に達するタイミングＴ２（第２タイミング）が、通常時のＤＰＦ６の故障検出のためにセンサ出力を取得する第１タイミングＴ１より早い場合、第２タイミングＴ２において、ＤＰＦ６の故障の有無の判定が行われる。つまり、第２タイミングＴ２においてセンサ出力が取得され、この段階で既に、センサ出力が基準出力ＲＥＦ＿１より大きくなっていれば、ＰＭセンサ１４は故障有りと判定される。

　ただし、第２タイミングＴ２の判定では、ＰＭセンサ１４の故障が認められない場合は、ＰＭセンサ１４は「正常」とは判定せず、一旦、ＤＰＦ６の故障検出がキャンセルされる。具体的には、ヒータがＯＮとされ、ＰＭリセットが行われて、ＰＭセンサ１４に堆積したＰＭが除去される。ＰＭリセット時には、素子部が約５００～７００℃の高温とされる。従って、尿素関連物質も、ＰＭと共に除去される。このようにＰＭリセットが行われた状態で、再び、ＤＰＦ６の故障検出が開始される。

　一方、積算運転時間が基準時間ｔ１に達するタイミングが、通常時の故障検出の制御の第１タイミングＴ１よりも遅い場合には、図３で説明したのと同様に、通常時のＤＰＦ６の故障検出が実行される。つまり、第１タイミングＴ１においてセンサ出力が取得され、これが基準出力ＲＥＦ＿１より大きい場合にはＤＰＦ６の故障有りと判定され、小さい場合にはＤＰＦ６は正常と判定される。

　なお、以上の制御において、尿素関連物質が排出しやすい特定運転モードとされる運転条件は、あらかじめ実験等により求められ、制御装置１６に記憶される。また、設定された特定運転モードでその時間運転された場合に、センサ出力に無視できないずれを起こす程度に、素子部に尿素関連物質が堆積すると予想される運転時間の範囲が実験等により求められる。特定運転モードで運転された積算運転時間に対する基準時間ｔ１は、この運転時間範囲の下限値付近の値に設定され、制御装置１６に予め記憶される。

［実施の形態１の具体的な制御］
　図６は、本発明において制御装置が実行する具体的な制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、ＤＰＦ６の故障検出の開始の指令が検出された場合に実行されるサブルーチンである。図６に示されるように、故障検出開始の指令が検出されると、まず、電極２０、２２への捕集用電圧の印加が開始される（Ｓ１０２）。捕集用電圧は、制御装置１６からの制御信号により、所定の電源から電源回路を介して印加される。

　次に、積算排出量が演算される（Ｓ１０４）。積算排出量は、上記のように機関回転数、負荷等をパラメータとするモデルに従い演算される。ここで演算される積算排出量は、故障検出開始後に内燃機関２から排出された総ＰＭ量の推定値である。

　次に、積算排出量が基準量ＰＭ１より大きいか否かが判別される（Ｓ１０６）。積算排出量が基準量ＰＭ１より大きいと判別された場合、上記図３の通常時の故障の有無の判定が実行される。ここでは、まず、センサ出力が取得される（Ｓ１０８）。次に、取得されたセンサ出力が、基準出力ＲＥＦ＿１より大きいか否かが判別される（Ｓ１１０）。

　ステップＳ１１０において、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められた場合、ＤＰＦ６は故障有りと判定される（Ｓ１１２）。一方、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められない場合には、ＤＰＦ６は正常と判定される（Ｓ１１４）。ステップＳ１１２又はＳ１１４の判定後、今回の処理は終了する。

　一方、ステップＳ１０６において、積算排出量＞基準量ＰＭ１の成立が認められない場合、次に、ステップＳ１０２の故障検出を開始した後、内燃機関２が特定運転モードで運転された時間の積算値である積算運転時間が取得される（Ｓ１１６）。積算運転時間は、例えば、制御装置１６に接続された時間カウンタから取得される。

　次に、積算運転時間が基準時間ｔ１より大きいか否かが判別される（Ｓ１１８）。つまり、尿素関連物質の排出量が多いと予想される環境下に、ＰＭセンサ１４が基準時間ｔ１より長く晒されたか否かが判別される。ステップＳ１１８において積算運転時間＞基準時間ｔ１の成立が認められない場合、ステップＳ１０４に戻され、ステップＳ１０４以降の処理が本ルーチンに沿って実行される。

　一方、ステップＳ１１８において、積算運転時間＞基準時間ｔ１の成立が認められた場合、次に、センサ出力が取得される（Ｓ１２０）。次に、センサ出力が基準出力ＲＥＦ＿１より大きいか否かが判別される（Ｓ１２２）。

　ステップＳ１２２においてセンサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められる場合、通常時の第１タイミングＴ１よりも早い第２タイミングＴ２において、既に素子部に相当のＰＭが堆積していると判断される。従って、この場合、ＤＰＦ６に故障有りと判定される（Ｓ１２４）。その後、今回の処理が終了する。

　一方、ステップＳ１２２において、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められない場合にも、本実施の形態１では正常の判定は行なわれず、今回のＤＰＦ６の故障検出の制御が一旦キャンセルされる（Ｓ１２６）。具体的には、今回の故障検出の間に演算され記憶された、積算排出量の値や、積算運転時間等の値がゼロに戻され、捕集用電圧の印加がＯＦＦとされるなど、所定の処理が実行される。

　次に、ＰＭリセットが実行される（Ｓ１２８）。ここでは、ヒータへの所定時間の電力供給が行われ、素子部がＰＭリセット時の温度に昇温される。これにより、素子部に堆積したＰＭと共に尿素関連物質も除去される。その後、今回の処理は一旦終了する。

　以上説明したように、本実施の形態１では、尿素関連物質の排出量が増加しやすい運転モードでの内燃機関２の運転時間がある程度長くなった場合に、素子部への尿素関連物質の影響が考慮される。即ち、センサ出力が基準出力ＲＥＦ＿１より大きい場合を除いて、故障検出がキャンセルされ、ＰＭリセットが実行される。これにより、尿素関連物質の影響が大きいセンサ出力により、ＤＰＦ６の故障の有無に誤判定が生じるのを抑制することができる。

　また、本実施の形態１では、特定運転モードでの積算運転時間が基準時間ｔ１に達した場合にＰＭリセットが実行される。従って、ＰＭリセットの回数を少なく抑え、効率的にセンサ出力を利用した、ＤＰＦ６の故障検出等の制御を行うことができる。

　なお、本実施の形態では、ＰＭセンサ１４の出力にも基づく制御としてＤＰＦ６の故障検出を実行する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限られるものではなく、ＰＭセンサ１４の出力に基づく他の制御の場合にも適用することができる。この場合にも同様に、通常のその制御においてセンサ出力を取得する第１タイミングと、積算運転時間が基準時間に達した第２タイミングとを比較し、第２タイミングが第１タイミングより早い場合に、その制御をキャンセルし、ＰＭリセットをするなどの処理を行う。これにより、尿素関連物質によるセンサ出力ずれが、その制御に与える影響を抑え、制御の精度を向上させることができる。これは、以下の実施の形態についても同様である。

　また、本実施の形態１では、通常時の故障検出における第１タイミングＴ１を、積算排出量が基準量ＰＭ１に達したタイミングとする場合について説明した。しかし、この発明において、ＤＰＦ６の故障検出のためのセンサ出力取得のタイミングはこれに限るものではなく、他のタイミングであってもよい。例えば、第１タイミングとして、故障検出開始（捕集用電圧印加をＯＮとした時）から所定時間経過後を第１タイミングとすることができる。この場合にも、上記実施の形態１に説明したように、通常時の故障検出では、第１タイミングでセンサ出力を取得しこれに基づきＤＰＦ６の故障の有無を判定する。一方、第１タイミングよりも前に第２タイミングに達した場合には、第２タイミングでセンサ出力を取得して、これに基づきＤＰＦ６の故障の有無を判定する。これは、以下の実施の形態についても同様である。

　また、本実施の形態１では、ステップＳ１２２においてセンサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められない場合に、故障検出がキャンセルされて（Ｓ１２６）、このルーチンが終了する場合について説明した。しかし、本発明では、例えば、故障検出がキャンセルされ（Ｓ１２６）、ＰＭリセットが実行（Ｓ１２８）された後、ステップＳ１０２に戻り、故障検出を再び、開始するようにしてもよい。これは、以下の実施の形態についても同様である。

　また、本実施の形態では、第１タイミング、第２タイミングのいずれのセンサ出力に基づいて、ＤＰＦ６の故障の有無が判定される場合にも、基準出力ＲＥＦ＿１を基準とする場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、第１タイミング、第２タイミングのそれぞれに応じて、基準出力を設定したものであってもよい。具体的に、例えば、第２タイミングで故障の有無の判定が行われる場合には、第１タイミングより早いタイミングであることに適応してセンサ出力に対する基準出力を、基準出力ＲＥＦ＿１よりも小さな出力とするなどが考えられる。これは以下の実施の形態についても同様である。

実施の形態２．
　本実施の形態２のシステム及びＰＭセンサの構成は、図１、図２に示したシステム及びＰＭセンサ１４と同一である。本実施の形態２のシステムは、特定運転モードでの積算運転時間に対する基準時間を、積算排出量に応じて設定する点を除き、実施の形態１と同じ制御を行う。

　図７は、本発明の実施の形態２における積算排出量に対する積算運転時間の基準時間について説明するための図である。図７において横軸は積算排出量、縦軸は積算運転時間を表している。

　本実施の形態２では、積算排出量に対し２つの基準量を設けて、この２つの基準量により区分けされる領域ごとに基準時間を設定する。具体的には、積算排出量に対する２つの基準量のうち、一方の基準量である第１基準量ＰＭ１は、通常時のＤＰＦ６故障検出のためセンサ出力を取得する第１タイミングＴ１を判別する基準量であり、実施の形態１における基準量ＰＭ１と同一値である。他方の基準量である第２基準量ＰＭ２は、第１基準量ＰＭ１よりも小さな値である。

　積算排出量が、第２基準量ＰＭ２より大きく第１基準量以下の領域にある場合、積算運転時間に対する基準時間は、第１基準時間ｔ１とされる。第１基準時間は、実施の形態１における基準時間ｔ１と同一の値とされる。

　一方、積算排出量が第２基準量ＰＭ２以下の領域にある場合、積算運転時間に対する基準時間は、第２基準時間ｔ２とされる。第２基準時間ｔ２は、第１基準時間ｔ１より小さい値とされる。

　例えば、特定運転モードでの運転時間が多く、積算運転時間の増加割合が大きい場合、線（ａ）に示されるように、積算排出量が、第２基準量ＰＭ２以下のうちに、特定運転モードでの積算運転時間が第２基準時間ｔ２に達する。このように積算排出量が少ないうちに、積算運転時間が小さな基準値ｔ２に達した場合には、このタイミングで、センサ出力を取得し、ＤＰＦ６の故障の有無の判定が行われる。

　例えば、線（ｂ）に示される例では、積算排出量が第２基準量ＰＭ２以下の領域にある間には積算運転時間が第２基準時間ｔ２には達しないが、積算排出量が第２基準量より大きく第１基準量ＰＭ１以下の領域にある間に、特定運転モードでの積算運転時間が第１基準時間ｔ１に達する。このような場合、この第１基準時間ｔ１に達したタイミングでセンサ出力を取得し、ＤＰＦ６の故障の有無の判定がおこなわれる。

　実施の形態１の場合と同様に、線（ａ）、（ｂ）の場合に故障の有無の判定においてＤＰＦ６の故障が認められない場合には、故障検出はキャンセルされて、ＰＭリセットが実行される。

　例えば、この線（ａ）に示される例では、実施の形態１のように、積算運転時間が基準時間ｔ１に達した時に、ＤＰＦ６の故障判定等を行う場合に比べ、矢印（ｅ）に示される期間、ＤＰＦ６の故障判定やＰＭリセットの実行が早められる。つまり、内燃機関２の運転において、特定運転モードの割合が大きい場合に、効率的にＰＭリセットを行うと共に、ＤＰＦ６の故障判定が行われる。

　一方、線（ｃ）、（ｄ）に示される例では、積算排出量が基準量ＰＭ１に達した第１タイミングＴ１でも、特定運転モードでの積算運転時間が第１基準時間ｔ１に達していない。このような場合には、通常時のセンサ出力を取得する第１タイミングＴ１においてセンサ出力が取得され、ＤＰＦ６の故障の有無の判定が実行される。

　図８は、本発明の実施の形態２において制御装置１６が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。図８のフローチャートは、ＤＰＦ６の故障検出指令が出された場合に実行されるサブルーチンである。図８のルーチンが開始されると、図６のＳ１０２，Ｓ１０４と同様に、まず、電極２０、２２間に捕集用電圧が印加され（Ｓ２０２）、積算排出量が演算される（Ｓ２０４）。

　次に、積算排出量が、第２基準量ＰＭ２より大きいか否かが判別される（Ｓ２０６）。第２基準量ＰＭ２は予め制御装置１６に記憶された値である。ここで積算排出量＞第２基準量ＰＭ２の成立が認められた場合、次に、積算排出量が第１基準量ＰＭ１より大きいか否かが判別される（Ｓ２０８）。第１基準量ＰＭ１は、通常時のＤＰＦ６の故障検出においてセンサ出力を検出する検出タイミングを判定するための基準値であり、予め制御装置１６に記憶されている。

　ステップＳ２０８において、積算排出量＞第１基準量ＰＭ１の成立が認められた場合、図６の１０８～Ｓ１１４と同様に通常時のＤＰＦ６の故障検出が実行される。即ち、第１タイミングＴ１でセンサ出力が取得され（Ｓ２１０）、センサ出力が基準出力ＲＥＦ＿１より大きいか否かが判別され（Ｓ２１２）、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められるとＤＰＦ６は故障と判定され（Ｓ２１４）、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められない場合には、ＤＰＦ６は正常と判定される（Ｓ２１６）。

　一方、ステップＳ２０８において、積算排出量＞第１基準量ＰＭ１の成立が認められない場合、現在の積算排出量は第２基準量ＰＭ２より多く第１基準量ＰＭ１以下の領域にある。この場合、まず、積算運転時間が取得される（Ｓ２１８）。積算運転時間は、ステップＳ２０２において電圧印加を開始してから、内燃機関２が特定運転モード下で運転された時間の積算値である。

　次に、積算運転時間の値が第１基準時間ｔ１より大きいか否かが判別される（Ｓ２２０）。第１基準時間ｔ１は、制御装置１６に予め記憶された値である。ステップＳ２２０において、積算運転時間＞第１基準時間ｔ１の成立が認められない場合、現在の積算排出量が演算され（Ｓ２２２）、その後、ステップＳ２０８の処理に戻される。

　また、ステップＳ２０６において、積算排出量＞第２基準量ＰＭ２の成立が認められない場合も、同様に、積算運転時間が取得される（Ｓ２２４）。次に、取得された積算運転時間の値が基準時間ｔ２より大きいか否かが判別される（Ｓ２２６）。ステップＳ２２６において、積算運転時間＞第２基準時間ｔ２の成立が認められない場合、ステップＳ２０４に戻される。

　以上の処理により、ステップＳ２２０において、積算運転時間＞第１基準時間ｔ１の成立が認められた場合、又は、ステップＳ２２６において、積算運転時間＞第２基準時間ｔ２の成立が認められた場合、素子部に堆積した尿素関連物質が、無視できない程度に多くなることが予想される。従って、これらの場合まず、センサ出力が取得され（Ｓ２２８）、取得されたセンサ出力が、基準出力REF_1より大きいか否かが判別される（Ｓ２３０）。ここで、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められた場合、ＤＰＦ６は故障有りと判定される（Ｓ２３２）。その後今回の処理は終了する。

　一方、ステップＳ２３０において、センサ出力＞基準出力ＲＥＦ＿１の成立が認められない場合、今回のＤＰＦ６の故障検出はキャンセルされる（Ｓ２３４）。即ち、電圧印加がＯＦＦとされ、今回のルーチンでカウントされた積算運転時間、積算排出量等の値がゼロとされるなど、所定の処理が実行される。次に、ＰＭリセットが実行される（Ｓ２３６）。その後、今回の処理は終了する。

　以上説明したように、本実施の形態２によれば、積算排出量に応じて積算運転時間に対する基準時間を２段階に設定し、積算排出量が少ない段階では、積算運転時間に対する基準時間が短時間に設定される。これにより、特定運転モードでの運転時間の増加の状態に合わせて、ＤＰＦ６の故障検出又はＰＭリセットの実行のタイミングを早めることができる。従って、尿素関連物質の排出が多いような場合にはより早い段階でＰＭリセットが実行される。従って、ＤＰＦ６の故障検出の機会を効果的に確保することができる。

　なお、本実施の形態２では、積算排出量に対して２つの基準量を設定し、これに応じて基準時間を２段階に分ける場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、積算排出量に応じた基準時間を２段階以上の複数段階に設定してもよい。この場合、積算排出量が大きくなるにつれて、基準時間が段階的に長くなるように設定する。これにより、効率的にＰＭリセットを行い、ＤＰＦ６の故障検出の機会を確保することができる。

　また、本発明においては、基準時間が段階的に設定されるものに限るものではない。図９は、本発明の実施の形態２において制御装置１６が実行する他の制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図９のルーチンは、ステップＳ２０６、Ｓ２２２～Ｓ２２６の処理を有さず、ステップＳ２１８の前にステップＳ３００の処理を有する点を除き、図８のルーチンと同一のものである。

　図９のルーチンでは、積算排出量演算後（Ｓ２０４）、積算排出量＞第２基準量ＰＭ２の成否の判別の処理が行われず、ステップＳ２０８の積算排出量＞第１基準量ＰＭ１の成否が判別される。

　ステップＳ２０８において、積算排出量＞第１基準量ＰＭ１の成立が認められない場合、次に、ステップＳ２０４で演算された積算排出量に応じて、基準時間ｔｘが設定される（Ｓ３００）。基準時間ｔｘは、積算排出量が多い場合ほど大きな値となるように設定される。具体的な基準時間と積算排出量との関係は実験等により求められ、予め制御装置１６にマップや関数として記憶されている。

　その後、図８のルーチンと同様に、積算運転時間が取得された後（Ｓ２１８）、ステップＳ２２０において、積算運転時間が基準時間ｔｘより大きいか否かが判別される（Ｓ２２０）。ここで、積算運転時間＞基準時間ｔｘの成立が認められない場合、ステップＳ２０４に戻される。

　一方、ステップＳ２２０において、積算運転時間＞基準時間ｔｘの成立が認められると、ステップＳ２２２８～Ｓ２３６の処理、即ち、積算運転時間が基準時間ｔｘに達したことが認められたタイミングでセンサ出力が取得（Ｓ２２８）され、これに基づく故障判定や、その他の処理が実行される。

　以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や製造工程等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

　　２　内燃機関
　　４　排気経路
　　６　ＤＰＦ（微粒子捕集用フィルタ）
　　８　ＳＣＲシステム
　　１０　噴射弁
　　１２　ＮＯｘ触媒
　　１４　ＰＭセンサ（微粒子センサ）
　　１６　制御装置
　　１８　絶縁基材
　　２０、２２　電極
　　ＰＭ１　第１基準量
　　ＰＭ２　第２基準量
　　ｔ１　第１基準時間
　　ｔ２　第２基準時間
　　ＲＥＦ＿１　基準出力
　　Ｔ１　第１タイミング
　　Ｔ２　第２タイミング

Claims

　内燃機関の排気経路に配置されたＳＣＲシステムと、該ＳＣＲシステムの下流に配置された微粒子センサとを備える内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
　前記微粒子センサに、微粒子捕集用電圧を印加する手段と、
　前記微粒子捕集用電圧の印加開始後の、第１タイミングにおける前記微粒子センサの出力に応じて、所定の制御を実行する手段と、
　前記微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの、前記ＳＣＲシステム下流に排出される尿素関連物質が増加する所定の運転状態での内燃機関の積算運転時間が、基準時間に達した第２タイミングの方が、前記第１タイミングより早い場合に、前記所定の制御を中止する手段と、
　を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　前記第２タイミングの方が前記第１タイミングより早い場合に、前記微粒子センサの素子部を昇温させて、前記微粒子センサに堆積する微粒子を燃焼除去する制御を実行する手段を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
　前記排気経路の前記微粒子センサの上流には、前記微粒子を捕集するための微粒子捕集用フィルタが配置され、
　前記所定の制御は、前記微粒子センサの出力に基づき、前記微粒子捕集用フィルタの故障の有無を判定する制御であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
　内燃機関から排出された微粒子の、前記微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの積算量である積算排出量を推定する手段を、更に備え、
　前記第１タイミングは、前記積算排出量が基準量に達したときであることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
　前記第２タイミングの方が、前記第１タイミングよりも早い場合に、前記第２タイミングにおける前記微粒子センサの出力に応じて、前記所定の制御を実行する手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
　内燃機関から排出された微粒子の、前記微粒子捕集用電圧の印加を開始してからの積算量である積算排出量を推定する手段と、
　前記基準時間を、前記積算排出量に応じて設定する手段と、
　を、更に備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。