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センサ制御装置及びこれを備える排気処理システム
説明

センサ制御装置及びこれを備える排気処理システム

【課題】内燃機関の排気通路内における水の有無を精度良く検出する。
【解決手段】エンジン11の排気管14にはPMセンサ17が設けられている。PMセンサ17は、ガス中に含まれるPM(導電性粒子状物質)を付着させる被付着部と、被付着部に互いに離間して設けられる一対の対向電極とを有し、一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する。その他、排気管14には、ヒータ付き排気センサとしてのA/Fセンサ16が設けられている。マイコン44は、PMセンサ17の検出信号に基づいて、排気管14内における水の有無を判定する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて粒子状物質(PM:Particulate Matter)の量を算出するセンサ制御装置及びこれを備える排気処理システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンから排出される排気中のPMの量を検出するPMセンサ(粒子状物質検出センサ)が各種提案されている。例えば、特許文献1のPMセンサでは、絶縁基板上に一対の対向電極を設けておき、その一対の対向電極間にPMが堆積すると電極間抵抗が変化することを利用し、電極間抵抗を計測することでPM量を検出する構成としている。この場合、センサ素子に接続される検出回路としては、一対の対向電極間の抵抗分である電極間抵抗と所定のシャント抵抗とにより分圧回路を構成し、分圧回路の中間点電圧をセンサ検出信号として出力するようにしていた。
【0003】
また、上記特許文献1のPMセンサでは、ヒータ等の加熱手段を設けておき、その加熱手段の加熱により、一対の対向電極間に堆積したPMを強制燃焼してPMを除去することが行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開昭59−196453号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、エンジンの低温始動時などの低温環境下では、PMセンサが配置された排気通路内で水が生じ、その水がPMセンサやその他排気センサに付着することがある。具体的には、エンジンの排ガスには燃料と空気との燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれており、エンジンの冷間始動時では、水蒸気を含んだ排ガスが排気通路内で冷やされることにより、その排ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じることがある。また、前回までのエンジン運転において排気通路内に生じた水滴が飛散することにより、その飛散水がPMセンサに付着することも考えられる。このようなPMセンサの被水が生じると、その付着した水によって電極間抵抗が変化し、その結果、PM量が誤検出されることがある。また、PMセンサに水が付着した状態でヒータの加熱を行うと、水の付着部分において局所冷却されることでセンサの破損(絶縁基板の破損)を招くことが懸念される。
【0006】
本発明は、内燃機関の排気通路内における水の有無を精度良く検出することができるセンサ制御装置、及びこれを備える排気処理システムを提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【0008】
本発明は、ガス中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に互いに離間して設けられる一対の対向電極とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用され、該粒子状物質検出センサは内燃機関の排気通路に設けられており、前記検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出するセンサ制御装置に関するものである。そして、請求項1に記載の発明は、前記検出信号に基づいて前記排気通路内における水の有無を判定する判定手段を備えることを特徴とする。
【0009】
粒子状物質検出センサでは、被付着部に粒子状物質が付着すると一対の対向電極間の抵抗値が変わり、それに伴い検出信号が変動する。本発明は、被付着部に水が付着した場合にも対向電極間の抵抗値の変化が生じることに着目し、粒子状物質検出センサの検出信号に基づいて排気通路内における水の有無を検出するものである。この場合、水の付着時の検出信号の挙動を予め把握することは可能であり、例えば実際の検出信号と、水の付着時に取り得る出力範囲とを比較することにより、被付着部における水の有無を判別できる。
【0010】
請求項2に記載の発明では、前記判定手段は、前記一対の対向電極間の抵抗値が減少する側に前記検出信号が変動し、その変動後において該抵抗値が増加する側に前記検出信号が変動した場合に、前記排気通路内の水が消失したと判定する。
【0011】
例えば内燃機関の始動時において排気通路内に水が存在していると、その水が粒子状物質検出センサの被付着部に付着するが、燃焼によって排気通路内は高温状態になるためその水の付着は一時的なものとなる。この場合、水の付着に伴い一対の対向電極間の抵抗が低下し、その後水の消失に伴い一対の対向電極間の抵抗が増加する。これに着目し、上記構成では、粒子状物質検出センサの検出信号の挙動に基づいて被水判定を行うことにより、排気通路内に水が存在していること(すなわち粒子状物質検出センサが被水していること)を把握できるとともに、排気通路内の水が消失したタイミング(すなわち被水が解消したタイミング)を適切に判断できる。
【0012】
更に言うと、水の有無判定(被水判定)は、粒子状物質検出センサが曝されている環境条件、例えば温度や飽和水蒸気圧に基づいて行うことも可能ではあるが、この場合、排気通路内の水が気化するのに要する時間は種々の要因によって変動し得るため、その所要時間は予測し難い。そのため、被付着部の被水状態において実施が制限される処理を、水が完全に無くなる前に実施することが考えられる。また、水が完全に無くなってから上記処理を実施しようとすると、その処理を開始するまでの待機時間が不必要に長くなることが考えられる。これに対し、上記構成によれば、水が消失したことが粒子状物質検出センサの検出信号により直接検出されるため、被水の解消タイミングを精度良く検出できる。
【0013】
請求項3に記載の発明では、前記判定手段は、前記検出信号の変化の速さに基づいて前記排気通路内に水が存在していることを判定する。
【0014】
内燃機関の排気に含まれる粒子状物質が被付着部に付着する場合と、排気通路内に存在する水が被付着部に付着する場合とを比較すると、前者の場合における粒子状物質検出センサの検出信号の変化に比べて、後者の場合における同検出信号の変化は速いものとなる。したがって、粒子状物質検出センサの検出信号の変化の速さをパラメータとして被水判定を行うことにより、排気通路内における水の有無を精度良く検出できる。
【0015】
請求項4に記載の発明では、前記被付着部に付着している粒子状物質を除去する除去手段を備え、前記判定手段は、前記除去手段により粒子状物質が除去された状態で前記検出信号を取得し、該取得した検出信号に基づいて水の有無を判定する。
【0016】
被付着部に粒子状物質が付着した状態であり、その上被付着部に水が付着すると、一対の対向電極間の抵抗値は、粒子状物質の抵抗分と水の抵抗分とを含むものとなる。この点、上記構成によれば、被付着部における粒子状物質の付着量=0とみなすことができる状態で被水判定が行われるため、粒子状物質の抵抗分を排除して水の抵抗分のみを検出できる。ゆえに、排気通路内における水の有無を容易かつ正確に判定できる。
【0017】
なお、「前記除去手段により粒子状物質が除去された状態」とは、被付着部における粒子状物質の付着量が、必ずしも付着量=0である必要はなく、0近傍の所定値以下の状態を含む。
【0018】
請求項5に記載の発明では、前記内燃機関の停止時に前記検出信号を停止時検出信号として取得する手段と、前記内燃機関の停止に続く次回の機関始動時の所定の始動期間に前記検出信号を始動時検出信号として取得する取得手段と、を備え、前記判定手段は、前記停止時検出信号と前記始動時検出信号との比較により前記排気通路内に水が存在していることを判定する。
【0019】
内燃機関の停止時には、対向電極間の抵抗値において水の影響を考慮する必要がなく、粒子状物質検出センサの検出信号は粒子状物質の付着量に相応するものとなる。また、その機関停止から次回の機関始動時までの間では、粒子状物質は新たに付着しないため、機関停止時と次回の機関始動時とでは、粒子状物質の付着量は同じとみなすことができる。したがって、内燃機関の始動時において前回の機関停止時と粒子状物質検出センサの検出信号が相違していれば、それは水の付着に起因するものであると考えられる。上記構成によれば、内燃機関の始動時点における粒子状物質の付着量を加味しつつ被水判定を実施することができる。
【0020】
請求項6に記載の発明では、前記判定手段により前記排気通路内に水が存在していると判定された場合に、前記検出信号による前記付着量の算出を禁止する。
【0021】
排気通路内に水が存在している状態では、被付着部に付着した水の抵抗値の影響により、該被付着部における粒子状物質の付着量を適正に算出できない。この点、請求項3に記載の発明によれば、粒子状物質の量が誤検出されるといった不都合が生じるのを回避できる。
【0022】
請求項7に記載の発明では、前記被付着部に付着した粒子状物質を燃焼除去させるべく前記被付着部を加熱する加熱手段を備え、前記判定手段により前記排気通路内に水が存在していると判定された場合に、前記加熱手段による前記被付着部の加熱を制限する。
【0023】
粒子状物質検出センサでは、被付着部には粒子状物質が堆積していくことから、定期又は不定期で加熱により粒子状物質の燃焼除去が行われる。この場合、被付着部に水が付着した状態で加熱が行われると、水の付着部分において局所冷却が生じセンサ破損を招くおそれがある。この点、請求項4に記載の発明によれば、被水時において被付着部の加熱が制限されることにより、粒子状物質検出センサが破損するのを抑制することができる。
【0024】
なお、「被付着部の加熱を制限する」形態としては、加熱手段による被付着部の加熱を禁止すること、及び電力制限等を行うことにより加熱手段による被付着部の加熱を抑制しつつ実施することを含む。
【0025】
請求項8に記載の発明は、上記の請求項1乃至7のいずれかに記載のセンサ制御装置を備えるとともに、前記排気通路にヒータ付き排気センサ及びヒータ付き排気処理装置の少なくともいずれかが設けられた排気処理システムに関するものである。特に、本発明は、前記ヒータ付き排気センサ又は前記ヒータ付き排気処理装置について、前記判定手段の判定結果に基づいてヒータの通電を制限することを特徴とする。
【0026】
従前の技術として、内燃機関の運転状態や排気温度に基づいて排気通路内における水の有無を推定し、その推定結果に基づいてヒータ付き排気センサやヒータ付き排気処理装置のヒータ通電を制限する技術があるが、かかる技術では、実際に水が発生した後において水の消失タイミングを正確に判定することが困難であるため、ヒータ通電の制限を行っている場合に、その制限の解除のタイミングが早すぎたり遅すぎたりしてしまい、結果として排気浄化性能に影響が及ぶことが懸念される。この点、上記構成によれば、水の消失タイミングを正確に判定できるため、内燃機関の始動時等においてヒータ通電の制限を適切なタイミングで解除できる。また、ヒータ通電の制限解除のタイミングを好適に制御できることで、例えば空燃比センサを早期に活性化させることができる。したがって、空燃比フィードバック制御をいち早く開始でき、ひいては排気浄化性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図。
【図2】センサ素子の要部構成を分解して示す分解斜視図。
【図3】PMセンサに関する電気的構成を示す図。
【図4】被水判定処理の処理手順を示すフローチャート。
【図5】被水判定処理をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【図6】他の実施形態におけるセンサ異常診断処理を説明するためのタイムチャート。
【図7】他の実施形態におけるセンサ異常診断処理を説明するためのタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車載エンジンを備える車両エンジンシステムにおいて、同エンジンから排出される排気中のPM量(導電性粒子状物質の量)を監視するものである。特に、エンジン排気管にPMセンサを設け、そのPMセンサでのPM付着量に基づいてPM量を監視するものとしている。図1は、本システムの概略構成を示す構成図である。
【0029】
図1において、エンジン11は直噴式ガソリンエンジンであり、同エンジン11の運転に関わるアクチュエータとして燃料噴射弁12や点火装置13等が設けられている。エンジン11の排気管14には排気浄化装置としての三元触媒15が設けられており、その三元触媒15の上流側にはA/Fセンサ16が設けられ、下流側には粒子状物質検出センサとしてのPMセンサ17が設けられている。A/Fセンサ16はヒータ付き排気センサであり、ヒータの通電によりセンサ素子が所定の活性温度に加熱される。その他、本システムでは、エンジン回転速度を検出するための回転センサ18や、吸気管圧力を検出するための圧力センサ19等が設けられている。
【0030】
ECU20は、周知のCPU、ROM、RAM等よりなるマイクロコンピュータ(マイコン)を主体として構成されており、ROMに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン11の各種制御を実施する。すなわち、ECU20は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁12や点火装置13の駆動を制御する。燃料噴射制御に関しては、A/Fセンサ16の検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。
【0031】
また、ECU20は、PMセンサ17の検出信号に基づいてエンジン11の実際のPM排出量(実PM排出量)を算出し、その実PM排出量に基づいてエンジン11の燃焼状態を診断する。具体的には、実PM排出量が所定の異常判定値を超えていれば、PM排出過多の状態であり、エンジン異常であると判定する。
【0032】
その他、ECU20は、PMセンサ17の検出結果から算出される実PM排出量に基づいて、エンジン11の制御態様を可変に制御する構成であってもよい。例えば、実PM排出量に基づいて燃料噴射量を制御したり、燃料噴射時期を制御したり、点火時期を制御したりすることが可能である。
【0033】
次に、PMセンサ17の構成、及びそのPMセンサ17に関する電気的構成を図2及び図3を用いて説明する。図2は、PMセンサ17を構成するセンサ素子31の要部構成を分解して示す分解斜視図であり、図3は、PMセンサ17に関する電気的構成図である。
【0034】
図2に示すように、センサ素子31は、長尺板状をなす2枚の絶縁基板32,33を有しており、一方の絶縁基板32にはPM量を検出するためのPM検出部34が設けられ、他方の絶縁基板33にはセンサ素子31を加熱するためのヒータ部35が設けられている。センサ素子31は、絶縁基板32,33が二層に積層されることで構成されている。絶縁基板32が被付着部に相当する。
【0035】
絶縁基板32には、他方の絶縁基板33とは反対側の基板表面に、互いに離間して設けられる一対の検出電極36a,36bが設けられており、この一対の検出電極36a,36bによりPM検出部34が構成されている。検出電極36a,36bは、各々複数の櫛歯を有する櫛歯形状をなしており、各検出電極36a,36bの櫛歯同士が互い違いとなるようして所定間隔をあけて対向配置されている。また、ヒータ部35は例えば電熱線からなる発熱体により構成されている。
【0036】
ただし、一対の検出電極36a,36bの形状は上記に限定されず、曲線状をなす形状で設けられているものや、各1本の線からなる一対の電極部が所定距離を隔てて平行に対向配置されているものであってもよい。
【0037】
なお、図示は省略するが、PMセンサ17は、センサ素子31を保持するための保持部を有しており、センサ素子31はその一端側が保持部により保持された状態で排気管に固定されるようになっている。この場合、少なくともPM検出部34及びヒータ部35を含む部位が排気管内に位置するように配されるとともに、センサ素子31において絶縁基板32(PM被付着部)が排気上流側を向くようにして、PMセンサ17が排気管に取り付けられる構成となっている。これにより、PMを含む排気が排気管内を流れる際、そのPMが絶縁基板32において検出電極36a,36b及びその周辺に付着し堆積する。また、PMセンサ17は、センサ素子31の突出部分を覆う保護カバーを有している。
【0038】
上記構成のPMセンサ17は、排気中のPMがセンサ素子31の絶縁基板32に付着し堆積すると、それによりPM検出部34の抵抗値(すなわち一対の検出電極36a,36b間の抵抗値)が変化すること、及びその抵抗値の変化がPM堆積量に対応していることから、その抵抗値の変化を利用してPM量を検出するものである。
【0039】
図3に示すように、PMセンサ17に関する電気的構成として、PMセンサ17のPM検出部34の一端側にはセンサ電源41が接続され、他端側にはシャント抵抗42が接続されている。センサ電源41は、例えば定電圧回路により構成されており、定電圧Vccが5Vとなっている。この場合、PM検出部34とシャント抵抗42とにより分圧回路40が形成されており、それらの中間点電圧がPM検出電圧Vpm(センサ検出値)としてECU20に入力されるようになっている。つまり、PM検出部34ではPM堆積量に応じて抵抗値Rpmが変化し、その抵抗値Rpmとシャント抵抗42の抵抗値RsとによりPM検出電圧Vpmが変化する。そして、そのPM検出電圧VpmがA/D変換器43を介してマイコン44に入力される。
【0040】
ここで、Vcc=5V、Rs=100kΩとすると、PM検出電圧Vpmは次の(1)式で求められる。
Vpm=5V×100kΩ/(100kΩ+Rpm) …(1)
このとき、PM堆積量が0(又は略0)であれば、PM検出部34の抵抗値Rpmは無限大になることから、Vpm=0Vとなる。また、PM堆積によりPM検出部34の抵抗値Rpmが例えば1kΩまで低下すると、Vpm=4.95Vとなる。こうしてPM検出部34でのPM堆積量に応じてPM検出電圧Vpmが変化する。マイコン44は、PM検出電圧Vpmに応じてPM堆積量を算出する。
【0041】
分圧回路40により信号出力回路が構成されており、この分圧回路40によって0〜5Vを出力範囲としてPM検出電圧Vpmが変化可能となっている。この場合、PM検出電圧Vpmの出力上限値は5Vであり、より厳密には5Vよりも若干低い電圧値となっている。
【0042】
また、PMセンサ17のヒータ部35には、ヒータ電源45が接続されている。ヒータ電源45は例えば車載バッテリであり、車載バッテリからの給電によりヒータ部35が加熱される。この場合、ヒータ部35のローサイドにはスイッチング素子としてのトランジスタ46が接続されており、マイコン44によりトランジスタ46がオン/オフされることでヒータ部35の加熱制御が行われる。
【0043】
絶縁基板32上にPMが堆積した状態でヒータ部35の通電を開始すると、堆積PMの温度が上昇し、それに伴い堆積PMが強制燃焼される。こうした強制燃焼により、絶縁基板32に堆積したPMが燃焼除去される。マイコン44は、例えば、エンジン始動時や運転終了時に、又はPM堆積量が所定量になったと判定された時や、前回のPM強制燃焼からのエンジン運転時間や車両走行距離が所定値になったと判定された時に、PMの強制燃焼要求が生じたとしてヒータ部35による加熱制御を実施する。
【0044】
その他、ECU20には、各種の学習値や異常診断値(ダイアグデータ)等を記憶するためのバックアップ用メモリとしてのEEPROM47が設けられている。
【0045】
ところで、エンジン11の冷間始動時では排気管14内が低温状態になっており、かかる状態では、エンジン11の燃焼によって排出される排ガスが排気管14内で冷やされることにより、排ガスに含まれる水蒸気が凝縮してPMセンサ17のセンサ素子31(絶縁基板32)に付着することがある。また、前回までのエンジン運転により排気管14内に溜まった水が、エンジン始動に伴い発生した排気管14内の気流により飛散し、その飛散水がセンサ素子31(絶縁基板32)に付着することも考えられる。
【0046】
PMセンサ17において、絶縁基板32に水が付着している状態では、水の影響により一対の検出電極36a,36b間が導通される。そのため、PM量が誤検出されるおそれがある。また、エンジン始動時にPMの強制燃焼を行う際において、低温環境下では凝縮水や飛散水がセンサ素子31に付着していることがあり、その水付着状態でヒータ部35の通電を行うと、水の付着部分における局所冷却によりセンサ素子31の破損が生じるおそれがある。
【0047】
そこで本実施形態では、絶縁基板32に水が付着している状態では、絶縁基板32に水が付着してない状態と比べてPM検出電圧Vpmが相違することを利用し、PM検出電圧Vpm(センサ検出値)に基づいてPMセンサ17に水が付着しているか否かの判定を行うこととしている。このとき、PMセンサ17に水が付着していれば、排気管14内に水が存在していると判定できる。そして、水付着の判定結果に基づいて、PM検出電圧Vpmを用いる制御の実施を制限したり、絶縁基板32上に堆積したPMの強制燃焼の実施を制限したりする。
【0048】
また、エンジン始動時においてPM検出部34にPMが堆積した状態である場合、その始動時におけるPM検出電圧Vpmが堆積PMによるものかそれとも水付着によるものか判別できないことがある。そこで本実施形態では、エンジン停止時にPM検出電圧Vpmを停止時検出値として取得するとともに、そのエンジン停止に続く次回のエンジン始動時の所定の始動期間にPM検出電圧Vpmを始動時検出値として取得し、停止時検出値と始動時検出値との比較結果に基づいてPMセンサ17に水が付着しているか否かを判定する構成としている。
【0049】
PM検出電圧Vpmによる被水判定によれば、PM検出部34に水が付着した後、その水が消失したことの判定も可能である。つまり、絶縁基板32の被水は一時的なものであり、エンジン11の暖機が進行して排気管14内が高温状態になると、絶縁基板32に付着した水は気化する。そのため、PM検出電圧Vpmは、センサ素子31が被水状態であると比較的大きな値となり、その後、水の気化に伴い、絶縁基板32上のPM堆積量に相当する値まで減少する。これを利用して、エンジン11の始動期間においてPMセンサ17の被水が解消されたか否か、つまり排気通路内の水が消失したか否かを判定する。
【0050】
次に、PMセンサ17における被水判定の具体的態様を説明する。図4は、被水判定処理を示すフローチャートであり、本処理は、マイコン44により所定時間ごとに繰り返し実行される。
【0051】
図4において、ステップS11では、エンジン始動時の所定のエンジン始動期間か否かを判定する。例えば、エンジン11の始動開始から(イグニッションスイッチのオンから)エンジン11の暖機完了までに要する時間をエンジン始動期間とする。あるいは、エンジン11の始動開始からエンジン冷却水温が暖機温度(例えば80℃)に達するまでの期間としてもよい。
【0052】
エンジン始動期間でない場合、PMセンサ17の被水判定を実施することなく本処理を終了する。一方、エンジン始動期間である場合、ステップS12へ進み、排気管14内において水滴が生じやすい状態か否かを判定する。本実施形態では、PMセンサ17の近傍に排気温度センサを配置して排気温度を検出し、その検出した排気温度の飽和水蒸気圧と排気管14内の圧力とを比較する。そして、今現在の排気温度の飽和水蒸気圧の方が排気管内圧力よりも低ければ、排気管14内に水滴が生じやすい状態であり、PMセンサ17において被水が生じる可能性ありと判定する。なお、排気温度については、例えば、PMセンサ17のヒータ抵抗値に基づいて算出してもよい。ヒータ抵抗値は、ヒータ通電時におけるヒータ抵抗電圧(バッテリ電圧)とヒータ電流とを検出し、それらの検出値に基づいて算出する。排気管内圧力については、センサ等により検出してもよいが大気圧と同等とみなしてもよい。
【0053】
排気管14内に水滴が生じやすい状態であると判定される場合、ステップS13へ進み、水存在フラグFweに「1」をセットする。続くステップS14では、PM検出電圧VpmによるPM量の算出を禁止するとともに、絶縁基板32上に堆積したPMの強制燃焼の実施を禁止する。
【0054】
さて、排気温度が高くなり、排気管14内での水滴発生の可能性が低くなったと判定されると、ステップS15に進む。ステップS15以降の処理は、飽和水蒸気圧に基づく判定によれば排気管14内での水滴発生のおそれが解消されているが、実際にPMセンサ17に水が付着していないか否か(排気通路内に水が存在していないか否か)を判定するための処理である。
【0055】
すなわち、ステップS15では、PM検出電圧Vpmを取得し、続くステップS16では、取得したPM検出電圧Vpmに基づいてPM検出部34に水が付着しているか否かを判定する。ここでは、PM検出部34の抵抗値が減少変化したことを検出することにより、一対の検出電極36a,36b間に水滴が付着していることを判定するものとし、PM検出電圧Vpmが所定範囲Vwtである場合にYESと判定される。所定範囲Vwtは、水の電気抵抗値に基づいて定められており、一対の検出電極36a,36b間に水滴が存在しているときのPM検出部34の抵抗値の取り得る範囲である。
【0056】
特に本実施形態では、エンジン停止時におけるPM検出電圧Vpmを停止時検出値として取得しておき、その停止時検出値に基づいて所定範囲Vwtを設定する。つまり、停止時検出値に対して、水の電気抵抗分相当の電圧値を加算した値を所定範囲Vwtとしている。あるいは、今回のエンジン始動期間の開始当初においてPM検出電圧Vpmを始動時検出値として取得し、その始動時検出値に基づいて所定範囲Vwtを設定することも可能である。
【0057】
なお、所定範囲Vwtとして2つの電圧値(上限値と下限値)を定めておき、PM検出電圧Vpmがそれら両値の間に入るか否かを判定する以外に、所定範囲Vwtとして1つの所定値を定めておき、PM検出電圧Vpmがその所定値以上となるか否かを判定する構成でもよい。
【0058】
ステップS16がYESの場合、ステップS13に進み、水存在フラグFweに「1」をセットし、続くステップS14で、PMセンサ17の検出信号に基づき算出される実PM排出量を用いた制御の実施を禁止するとともに、絶縁基板32上に堆積したPMの強制燃焼の実施を禁止する。
【0059】
一方、ステップS16がNOの場合、ステップS17に進み、水存在フラグFweに「0」がセットされているか否かを判定する。ステップS17がYESの場合にはステップS18に進み、水存在フラグFweを「0」のままとし、ステップS20へ進む。また、ステップS17がNOの場合にはステップS19へ進み、PM検出電圧Vpmに基づいてPMセンサ17の被水が解消したか否かを判定する。ここでは、PM検出部34の抵抗値が増加変化したことを検出することにより、一対の検出電極36a,36b間における水滴が消失したことを判定するものとし、PM検出電圧Vpmが判定値Vthw以下である場合にYESと判定される。
【0060】
判定値Vthwについて本実施形態では、所定範囲Vwtと同様に、エンジン停止時に取得しておいた停止時検出値(PM検出電圧Vpm)に基づいて設定する。この場合、判定値Vthwは、停止時検出値とほぼ同じ電圧値として設定される。あるいは、今回のエンジン始動期間の開始当初においてPM検出電圧Vpmを始動時検出値とし、その始動時検出値に基づいて設定することも可能である。
【0061】
ステップS19がNOの場合、ステップS13に進み、水存在フラグを「1」のままとし、ステップS14において、PMセンサ17の検出値を用いた制御の実施及びPMの強制燃焼処理の実施を禁止する。一方、ステップS19がYESの場合、ステップS18へ進み、水存在フラグに「0」をセットしてステップS20へ進む。
【0062】
ステップS20では、PMセンサ17について強制燃焼要求が生じているか否かを判定する。本実施形態では、エンジン始動時であること、エンジン運転終了時であること、PM堆積量が所定量になったこと、前回のPM強制燃焼からのエンジン運転時間や車両走行距離が所定値になったことの少なくともいずれかによりPM燃焼要求フラグがセットされ、それに伴い強制燃焼要求が生じるとしている。したがって、今回のエンジン始動時において未だPMセンサ17のPM強制燃焼処理を実施していなければ、ステップS20では肯定判定される。
【0063】
ステップS20がYESの場合、PMセンサ17でのPM強制燃焼処理を実施すべくステップS21に進む。ステップS21では、PM強制燃焼処理を実施する。具体的には、PMセンサ17のヒータ部35の通電をオンする。また、ステップS20がNOの場合、ステップS22に進み、PMセンサ17でのPM強制燃焼処理が終了したか否かを判定する。PM強制燃焼処理が終了していればステップS23に進み、PMセンサ17の検出信号に基づき算出される実PM排出量を用いた制御の実施を開始する。具体的には、例えば、実PM排出量に基づいてエンジン11の燃焼状態を診断したり、実PM排出量に基づいてエンジン11の燃料噴射量制御や燃料噴射時期制御、点火時期制御を実施したりする。
【0064】
また、ステップS18で水存在フラグFweが「0」とされた場合、すなわち排気管14内に水が存在していると判定された場合には、マイコン44は、A/Fセンサ16のヒータ通電を通電制限状態から制限解除状態に移行させる。例えば、A/Fセンサ16のヒータ通電を禁止状態から許可状態に移行させる。この場合、PM検出電圧Vpmに基づいて被水が解消されたと判定された時点で、A/Fセンサ16のヒータ通電が開始される。
【0065】
図5は、PMセンサ17の被水判定処理をより具体的に説明するためのタイムチャートである。図5では、エンジン冷間始動時を想定している。
【0066】
図5において、PMセンサ17の周辺温度が所定値TH1に到達するタイミングt11よりも前では、水存在フラグFweがセットされ、PM強制燃焼処理の実施及びPM検出電圧Vpmに基づくエンジン11の制御の実施が禁止される。なお、所定値TH1は、排気管内圧力=飽和水蒸気圧になるときの温度であり、排気管内圧力を1気圧とみなせば100℃である。タイミングt11よりも前では、センサ周辺温度の飽和水蒸気圧の方が排気管内圧力よりも低く、排気管14内において、水滴が生じやすい環境になっている。
【0067】
タイミングt11以降では、エンジン11の燃焼によって発生する高温の排ガスによってセンサ周辺温度が上昇し、排気管14内において水滴が生じにくい環境になっている。ところが、排気管14内の水滴を気化するには時間を要するため、タイミングt11以降であっても、PMセンサ17が被水している可能性は十分にあり得る。また、排気管14内においては温度分布のばらつきが生じており、排気温度に基づく判定では、排気管14内において水滴が生じにくい環境になっていることを精度良く判定できないことがある。
【0068】
このことを考慮し、タイミングt11以降において、PM検出電圧Vpmが所定範囲Vwt内の期間では排気管14内に水が存在していると判定し、水存在フラグFweをセットしたままにする。この場合、PM強制燃焼処理の実施及びPM検出電圧Vpmに基づくエンジン11の制御の実施が禁止される。
【0069】
そして、PM検出電圧Vpmが判定値Vthw以下になると、タイミングt12で、水存在フラグがリセットされ、PM強制燃焼フラグがセットされる。これにより、ヒータ通電がオンされ、堆積PMの強制燃焼が行われる。この場合、水存在フラグがリセットされた後、所定時間が経過した後にPM強制燃焼フラグがセットされてもよい。
【0070】
なお、ヒータ部35の通電開始に伴いPM検出電圧Vpmが上昇するのは、PMセンサ17(絶縁基板32)に堆積している堆積PMの温度が上昇することにより電極間抵抗が小さくなったことに起因するものである。つまり、PMは、温度上昇により抵抗値が下がる温度特性を有しており、抵抗値が下がることでPM検出電圧Vpmが上昇し、Vpmが出力上限値に張り付いた状態になる。その後、強制燃焼により堆積PMが除去されると、抵抗値が上がることでPM検出電圧Vpmが減少し、Vpmが略0の状態になる。
【0071】
PM検出電圧Vpmが略0の状態になると、強制燃焼処理が終了したとして、タイミングt13でヒータ通電がオフされるとともに、PM強制燃焼フラグがリセットされ、PM計測許可フラグがセットされる。なお、PM強制燃焼フラグは、PM検出電圧Vpmが減少する側に変化した時点でリセットされ、これに併せてヒータ通電がオフされてもよい。また、PM強制燃焼フラグがリセットされた後、所定時間が経過した後にPM計測許可フラグがセットされてもよい。
【0072】
以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
【0073】
絶縁基板32に水が付着している状態では、絶縁基板32に水が付着してない状態と比べてPM検出電圧Vpmが相違することを利用し、PM検出電圧Vpmに基づいてPMセンサ17に水が付着しているか否かの判定を行う構成としたため、PMセンサ17の被水を検出することができる。つまり、本構成によれば、排気管14内に水が存在しているか否かを判定することができる。
【0074】
エンジン停止時にPM検出電圧Vpmを停止時検出値として取得するとともに、そのエンジン停止に続く次回のエンジン始動時の所定の始動期間にPM検出電圧Vpmを始動時検出値として取得し、停止時検出値と始動時検出値との比較結果に基づいてPMセンサ17に水が付着しているか否かを判定する構成としたため、エンジン始動時においてPM検出部34にPMが堆積した状態である場合に、その始動時におけるPM検出電圧Vpmが堆積PMによるものかそれとも水付着によるものかを正確に判別することができる。
【0075】
PM検出電圧Vpmが上昇し、その後、時間経過に伴いVpmが減少した場合に排気管14内の水が消失したと判定する構成としたため、排気管14内に水が存在していること(すなわちPMセンサ17が被水していること)を把握できるとともに、排気管14内の水が消失したタイミング(すなわち被水が解消したタイミング)を適切に判断できる。特に、PM検出電圧Vpmによる被水判定によれば、水が消失したことがPMセンサ17の検出信号により直接検出されるため、PMセンサ17の置かれている環境に関するパラメータ(例えば温度や飽和水蒸気圧)に基づく被水判定に比べ、被水の解消タイミングを精度良く検出できる。
【0076】
排気管14内の被水が検出された場合に、PM検出電圧Vpmを用いる制御の実施を禁止する構成としたため、PM量が誤検出される状況での上記制御を回避することができ、PM量に基づく制御を適正に実施できる。
【0077】
排気管14内の被水が検出された場合に、絶縁基板32上に堆積したPMの強制燃焼の実施を禁止する構成としたため、センサ素子31の破損を好適に抑制することができる。
【0078】
エンジン始動後には排気管14内の水が消失したタイミングに合わせてA/Fセンサ16のヒータ通電の制限を解除することができる。つまり、ヒータ通電の制限解除のタイミングが早すぎたり遅すぎたりすることを抑制できる。この場合、センサ素子の保護のためにヒータ通電の制限解除を過剰に遅くする必要はなく、それ故にA/Fセンサ16を早期に活性化させることができる。したがって、空燃比フィードバック制御をいち早く開始でき、ひいては排気浄化性能を高めることができる。
【0079】
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【0080】
・PM検出電圧Vpmの変化の速さに基づいて、排気管14内に水が存在しているか否かを判定する。具体的には、エンジン始動時の所定の始動期間におけるPM検出電圧Vpmの上昇速度を算出し、その上昇速度を、予め定めた正常状態の上昇速度と比較することにより排気管14内の水の有無を検出する。つまり、PM検出電圧Vpmの上昇がPMの堆積量増加に起因するものであれば、その上昇速度は比較的小さい値になるはずである。ところが、エンジン11の始動期間においてPM検出部34に水が付着すると、その付着した水によってPM検出部34の抵抗値が大きく減少変化することにより、PM検出電圧Vpmの上昇速度が比較的大きな値になる。これを利用して、エンジン11の始動期間においてPM検出部34に水が付着しているか否かを判定する。
【0081】
・エンジン始動時の所定の始動期間において、PM検出電圧Vpmが水の電気抵抗値に相当する電圧値となる期間の長さに基づいてPMセンサ17の異常診断を実施する構成としてもよい。図6は、本異常診断処理の具体的態様を説明するためのタイムチャートであり、エンジン始動期間についての説明図である。図6において、タイミングt21では、PMセンサ17の周辺温度が所定値TH1に達し、これにより被水検出不可カウンタのカウントアップが開始される。このとき、エンジン始動期間におけるPM検出電圧Vpmの上昇がPMセンサ17の被水によるものであれば、PMセンサ周辺温度の上昇により水滴が気化し、タイミングt22で、PM検出電圧Vpmが低下する。この場合、PMセンサ17は正常であると判断される。
【0082】
これに対し、PM検出電圧Vpmの上昇がPMセンサ17の被水によるものではなく、例えば、PMセンサ17の絶縁基板32上に金属片などの異物が付着しそれが除去できなかったり、あるいは絶縁基板32内の不純物により微弱のリーク電流が流れたりすることに起因するものであれば、PM検出電圧Vpmが高い状態が継続される。この場合、タイミングt22で、被水検出不可カウンタが異常判定値Cthに達し、PMセンサ異常判定フラグがセットされる。
【0083】
・PM検出電圧Vpm以外のパラメータ(例えば温度や飽和水蒸気圧など)に基づいて排気管14内に水が存在するか否かを判定する手段を備え、その手段により排気管14内の被水が検出されている条件下におけるPM検出電圧Vpmに基づいてPMセンサ17の異常診断を実施する構成としてもよい。このとき、上記条件下において、PM検出電圧Vpmが水の電気抵抗値に相当する値を示していない場合に、PMセンサ17の異常有りと診断する。
【0084】
図7は、本異常診断処理の具体的態様を説明するためのタイムチャートであり、エンジン始動期間についての説明図である。図7において、エンジン始動開始のタイミングで被水検出不可カウンタのカウントアップが開始され、カウンタ値がしきい値Cthに達すると、そのタイミングt31でPM検出電圧Vpmを取得する。このとき、Vpmが所定範囲Vwt内に入らず、その範囲Vwtよりも低い場合、PMセンサ17の異常有りと判定し、PMセンサ異常判定フラグがセットされる。
【0085】
・PM検出電圧Vpmに基づいてPMセンサ17の異常診断を実施するものとし、その際、エンジン冷間始動時の所定の冷間始動期間では、PMセンサ17の異常診断を禁止する構成としてもよい。PMセンサ17に水が付着した場合、PM燃焼除去直後であっても検出電極間の抵抗値が下がり、PM検出電圧Vpmが異常判定値よりも高くなることがある。あるいは、PM検出電圧Vpmの上昇速度が大きく異常と診断されることも考えられる。ところが、このVpm増大は一時的なものであり、エンジン11の暖機が進行して排気管14内が高温状態になれば、付着した水が気化することにより、PM検出電圧Vpmは正常値に戻ることとなる。この場合、もはや異常状態とは言えない。したがって、このような復帰可能な一時的な異常を、復帰不能な異常と同じように異常有りと診断するのは適切でないことから、上記構成のように、冷間始動期間においてPM検出電圧Vpmに基づく異常診断を禁止することにより、誤診断を抑制することができる。
【0086】
・PMセンサ17に水が付着していると判定された場合に、PM強制燃焼時よりも電力制限した状態でヒータ部35の通電を行う構成としてもよい。この構成によれば、センサの急速な加熱に起因する破損を抑制しつつ、ヒータ加熱によりセンサに付着した水をできるだけ早く蒸発させることができる。
【0087】
・エンジンの運転終了時にPMの強制燃焼を実施する構成とし、それにより次回のエンジン始動時においてPM検出部34のPM堆積量を0又は略0にしておくことも可能である。かかる場合、エンジン始動時にはPM量=0となっているため、PMによる電極間の導通はなく本来はVpm=0Vとなる。したがって、エンジン始動期間において絶縁基板32に水が付着した場合には、PM検出電圧Vpmに基づいて水の付着を容易に判定できる。
【0088】
また、エンジンの運転終了時以外に、エンジン始動時であって水の付着が生じる以前にPMの強制燃焼を実施する構成でもよい。
【0089】
・触媒15がヒータ付き排気処理装置として構成されていてもよい。具体的には、触媒15において担体表面又は担体内部にヒータを設ける構成とする。この場合、PMセンサ17の検出信号(PM検出電圧Vpm)に基づいて排気管14内の水の有無を判定し、その判定結果に基づいてヒータ通電を許可又は禁止する構成とする。
【0090】
・PMセンサ17の絶縁基板32にPM以外の導電性物質が付着した場合には、その物質が何であるかに応じてPM検出電圧Vpmの変化態様が変わることとなる。例えば、絶縁基板32に水が付着する場合と、鉄粉等の金属片が付着する場合とでは、PM検出電圧Vpmの変化態様が相違する。これを利用して、物質ごとの判定値を予め定めておき、PM検出電圧Vpmと判定値との大小を比較することで、絶縁基板32に付着した物質を特定可能である。
【0091】
・上記実施形態では、信号出力回路として図3に示す分圧回路40を用いたが、これを変更してもよい。例えば、分圧回路を構成するPM検出部34とシャント抵抗42との接続を逆にし、PM検出部34をローサイド、シャント抵抗42をハイサイドに設ける構成としてもよい。本構成では、PM検出電圧Vpmは次の(2)式で求められることとなる。
Vpm=5V×Rpm/(Rs+Rpm) …(2)
なお、RpmはPM検出部34の抵抗値、Rsはシャント抵抗42の抵抗値(例えば5kΩ)である。
【0092】
・上記実施形態では、PM強制燃焼のための加熱手段として、絶縁基板32と一体にヒータ部35を設ける構成としたが、PMセンサ17の周囲ガスの温度(例えば、エンジン排気管内の温度)をPMの燃焼温度まで上昇させる構成としてもよい。この場合、例えば、エンジンの燃焼制御により排気温度を上昇させる構成や、ヒータ部35とは別の加熱手段(ヒータ等)を排気管に設ける構成とする。
【0093】
・エンジン排気管にPMを捕集するためのPMフィルタを設け、その下流側又は上流側の少なくともいずれかにPMセンサを設けた構成において、PMセンサの検出値に基づいてPMフィルタの再生タイミングを制御する構成としてもよい。また、PMセンサの検出値に基づいて、PMフィルタの故障診断を実施する構成としてもよい。
【0094】
・上記実施形態では、直噴式ガソリンエンジンについての適用を例示したが、他の形式のエンジンにも適用できる。例えば、ディーゼルエンジン(特に、直噴式ディーゼルエンジン)に適用することとし、ディーゼルエンジンの排気管に設けられたPMセンサについて本発明を用いることも可能である。また、エンジンの排気以外のガスを対象としてPM量を検出するものであってもよい。
【符号の説明】
【0095】
11…エンジン、15…触媒(ヒータ付き排気処理装置)、16…A/Fセンサ(ヒータ付き排気センサ)、17…PMセンサ(粒子状物質検出センサ)、20…ECU、32…絶縁基板(被付着部)、34…PM検出部、35…ヒータ部(加熱手段)、36a,36b…検出電極(対向電極)、40…分圧回路、44…マイコン(判定手段、除去手段、加熱手段)。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス中に含まれる導電性の粒子状物質を付着させる被付着部と、前記被付着部に互いに離間して設けられる一対の対向電極とを有し、前記一対の対向電極間の抵抗値に応じた検出信号を出力する粒子状物質検出センサに適用され、該粒子状物質検出センサは内燃機関の排気通路に設けられており、前記検出信号に基づいて前記粒子状物質の付着量を算出するセンサ制御装置において、
前記検出信号に基づいて前記排気通路内における水の有無を判定する判定手段を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項2】
前記判定手段は、前記一対の対向電極間の抵抗値が減少する側に前記検出信号が変動し、その変動後において該抵抗値が増加する側に前記検出信号が変動した場合に、前記排気通路内の水が消失したと判定する請求項1に記載のセンサ制御装置。
【請求項3】
前記判定手段は、前記検出信号の変化の速さに基づいて前記排気通路内に水が存在していることを判定する請求項1又は2に記載のセンサ制御装置。
【請求項4】
前記被付着部に付着している粒子状物質を除去する除去手段を備え、
前記判定手段は、前記除去手段により粒子状物質が除去された状態で前記検出信号を取得し、該取得した検出信号に基づいて水の有無を判定する請求項1乃至3のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
【請求項5】
前記内燃機関の停止時に前記検出信号を停止時検出信号として取得する手段と、
前記内燃機関の停止に続く次回の機関始動時の所定の始動期間に前記検出信号を始動時検出信号として取得する取得手段と、を備え、
前記判定手段は、前記停止時検出信号と前記始動時検出信号との比較により前記排気通路内に水が存在していることを判定する請求項1乃至4のいずれかに記載のセンサ制御装置。
【請求項6】
前記判定手段により前記排気通路内に水が存在していると判定された場合に、前記検出信号による前記付着量の算出を禁止する請求項1乃至5のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
【請求項7】
前記被付着部に付着した粒子状物質を燃焼除去させるべく前記被付着部を加熱する加熱手段を備え、
前記判定手段により前記排気通路内に水が存在していると判定された場合に、前記加熱手段による前記被付着部の加熱を制限する請求項1乃至6のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のセンサ制御装置を備えるとともに、前記排気通路にヒータ付き排気センサ及びヒータ付き排気処理装置の少なくともいずれかが設けられた排気処理システムであり、
前記ヒータ付き排気センサ又は前記ヒータ付き排気処理装置について、前記判定手段の判定結果に基づいてヒータの通電を制限することを特徴とする排気処理システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−37370(P2012−37370A)
【公開日】平成24年2月23日(2012.2.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−177510(P2010−177510)
【出願日】平成22年8月6日(2010.8.6)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】