パティキュレートフィルタの異常検出装置
【目的】パティキュレートフィルタの異常の有無を判断するための、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気管２に設けたパティキュレートフィルタＤＰＦから、異常時にすり抜ける微粒子状物質ＰＭを、電気抵抗式のＰＭセンサ１にて検出する。パティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段を設け、電子制御ユニットＥＣＵは、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において、ＰＭセンサ１の検出部１００の出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気管２に設けたパティキュレートフィルタＤＰＦから、異常時にすり抜ける微粒子状物質ＰＭを、電気抵抗式のＰＭセンサ１にて検出する。パティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段を設け、電子制御ユニットＥＣＵは、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において、ＰＭセンサ１の検出部１００の出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用内燃機関の排出ガス中に存在する微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの異常検出装置に関し、特に、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いて、パティキュレートフィルタをすり抜ける微粒子状物質の量を検出することにより破損等の異常を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排出ガスに含まれる環境汚染物質、特に微粒子状炭素（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする微粒子状物質（Particulate Matter；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排出ガスを通過させてＰＭを捕捉する。さらに、ＰＭ捕集量が規定量を超えると、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させる。
【０００３】
再生時期の判断には、例えば、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用することができ、差圧センサの検出結果に基づいてＰＭ捕集量を検出している。また、ＤＰＦの破損などで排ガスの流通に異常が生じると、前後差圧が正常な場合に比して変化するため、これを利用してＤＰＦの異常検出を行い得る。一般に、ＤＰＦの前後差圧が所定値を下回ったら破損により排ガスが漏れているものと判断する。また、特許文献１には、前後差圧に基づいて演算されたＰＭ堆積量と、エンジン運転状態から知られるＰＭ排出量の積算により算出されたＰＭ堆積量とを比較し、両者に大きな不整合が生じたらＤＰＦ４の異常と判定する装置が記載されている。
【０００４】
一方、排出ガス中のＰＭを直接検出するための電気抵抗式のセンサが提案されており、これをＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、あるいはＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定するシステムが検討されている。前者は差圧センサに代わる再生時期の判断に、後者は、ＤＰＦの作動状態の監視、劣化や破損等の判断に利用される。近年は、環境汚染防止のために、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）の設置が義務付けられており、後者の重要性が増している。
【０００５】
電気抵抗式のセンサは微粒子状炭素が導電性を有することを利用したもので、特許文献２、３には、耐熱性を有する絶縁性基板の表面に、一対の導電性電極を形成した基本構成が開示されている。このセンサを、ＰＭが含まれる排出ガスの通路に配置すると、検出部となる電極間に、微粒子状炭素が付着することによる抵抗値の変化から、ＰＭを検出することができる。なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排出ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。
【０００６】
故障診断については、特許文献４に、電気抵抗式のセンサを用いてＤＰＦの破損状態を検出するシステムが例示されている。特許文献４の装置では、ＤＰＦ下流の排気通路に、ＰＭが付着する電気絶縁層と、該電気絶縁層に相互に離間して設けた複数の電極と、ヒータ層を有するセンサを配置し、複数の電極間の電気抵抗値に相関する指標を計測して、計測値が所定基準より小さくなるとＤＰＦ故障と判定するＥＣＵを備えた故障判定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３４４６１９号公報
【特許文献２】特公平２−４４３８６号公報
【特許文献３】特開昭５９−１９６４５３号公報
【特許文献４】特開２００９−１４４５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
微粒子状炭素が堆積すると電極間が導通し、当初の絶縁状態から抵抗値が低下するので、特許文献４では、この関係から故障判定閾値（所定基準）を求め、モニタした電極間抵抗値と比較する。閾値は、例えばＯＢＤ規制値を基準にして設定される。特許文献１のように、前後差圧に基づく方式に対して、特許文献４の装置は、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を直接検出するので、クラック等の軽微な故障についても精度よく判定を行うことが期待される。
【０００９】
しかしながら、ＤＰＦに異常がない状態でも、わずかながらＤＰＦをすり抜けるＰＭが存在すると、電気絶縁層に付着するＰＭ量は徐々に増加する。このため、予め実験等を行ってＰＭ堆積量と電気抵抗値（もしくは変化量）の関係を調べておく必要があるだけでなく、さらに、正常な状態での検出量を予め調べて特定しておき、算出したＰＭ量と比較することによって、ＤＰＦによる捕集が正常に行われているかどうかを判断することになる。
【００１０】
ところが、エンジンからの排出ガスに含まれるＰＭ量は、運転状態（負荷や回転数）によっても大きく変化する。ＰＭが増加する傾向は、負荷が高くなるほど、例えば、エンジン始動時のような低回転数から高回転数までの全域でＰＭ量が多くなる。また出力領域まで回転数が高くなるとＰＭ量が増加する傾向がある。さらに運転状態によって、排出されるＰＭの性状や粒子分布が変動すると、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量も変動する。そのため、ＤＰＦの性能低下や破損の有無を判定するには、運転状態に対して予め求めておいたＰＭ量マップと現在のＰＭ量を比較することになるが、全運転領域をマップ化することは容易でない。また、ＤＰＦへのＰＭ堆積状態によっても、ＰＭのすり抜け量は変動することから、ＰＭ堆積量との関係もマップ化する必要があり、格納するマップ量を増大する上、故障判定の工程も煩雑になる問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、内燃機関の排出ガスを処理するＤＰＦの異常の有無を判断するための、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法を提供し、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理の必要がなく、応答性および精度の高い異常検出装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、
内燃機関の排気通路において、排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段と、
上記流量／圧力検出手段および上記排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
上記異常検出部は、上記排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態における、上記排出微粒子センサの出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備える。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明において、上記異常検出部は、異常検出開始時の運転状態における上記排出ガスの流量または圧力を、第１の流量／圧力条件として、上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定し、次いで、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となるように、例えば、第１の流量／圧力条件よりも流量が大きいまたは圧力が高い第２の流量／圧力条件を設定して、該第２の流量／圧力条件における上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する。また、第１の流量／圧力条件が大きいまたは高い場合は、第２の流量／圧力条件を第１の条件より流量が小さいまたは圧力が低い条件に設定して、該第２の条件にて上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果が上記第２の流量／圧力条件になるまで待機し、上記第２の流量／圧力条件となった時に、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定して、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を調整する流量／圧力調整手段を備えており、
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果を監視し、所定期間内に上記第２の流量／圧力条件にならなかった時に、上記流量／圧力調整手段を用いて強制的に上記第２の流量／圧力条件に調整して、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定し、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、予め設定した所定値とする。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、運転状態に応じて設定する。
【００１８】
本発明の請求項７に記載の発明において、上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して、上記検出部を所定温度に加熱するヒータ部とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の発明は、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法によりパティキュレートフィルタの異常検出を行う。排出ガスがパティキュレートフィルタ内に流入すると、微粒子状物質がパティキュレートフィルタを構成する多孔質セラミックスの細孔に捕集され、堆積していく。パティキュレートフィルタに破損等の異常が生じると、破損部からパティキュレートフィルタをすり抜けて下流の排出微粒子センサに流入する微粒子状物質の量が多くなるので、異常検出部は、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において、それぞれセンサ出力値を得る。これは、異常時には、正常時に比べてすり抜ける微粒子状物質は比較的粗大な粒子が多くなり、流量または圧力の変化に対してすり抜ける微粒子状物質の量、排出微粒子センサの検出部への付着率が変化し、出力変化が急になることに着目したものである。
【００２０】
このため、これら２水準の流量または圧力で検出されたセンサ出力値は、パティキュレートフィルタに異常がある場合、その差分値または比の値が正常な場合に比べて大きくなる。したがって、これら出力値を比較することで、パティキュレートフィルタが正常に機能しているかどうかを容易に判定することができる。よって、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理が不要であり、応答性よく高精度な異常検出装置を実現できる。
【００２１】
本発明の請求項２に記載の発明のように、具体的には、異常検出開始時の流量／圧力検出手段の検出結果を、第１の流量／圧力条件とし、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となる上記第２の流量／圧力条件を設定するのがよい。流量または圧力の増大により、パティキュレートフィルタを微粒子状物質がすり抜けやすくなり、すり抜け量の増加および粗大粒子の比率が多くなることにより、出力が大きく変化するので、正常時の出力変化と比較することで、効果的に異常検出ができる。
【００２２】
本発明の請求項３に記載の発明のように、運転状態の変化により流量または圧力は変動するので、第１の流量／圧力条件にて第１の出力値変化を測定した後、予め設定した第２の流量／圧力条件になるまで待機することで、容易に異常判定を行なうことができる。
【００２３】
本発明の請求項４に記載の発明のように、あるいは、流量／圧力調整手段を用いて、強制的に第２の流量／圧力条件とすることもできる。この時、流量／圧力調整手段を作動させる前に所定期間待機し、待機中に第２の流量／圧力条件まで変化した場合には、流量／圧力調整手段を作動させることなく第２の出力値変化を測定する。これにより、運転状態への影響を最小限とし、効率よく異常判定を行なうことができる。
【００２４】
本発明の請求項５に記載の発明のように、第１の流量／圧力条件に対して、第２の流量／圧力条件を決定するための所定値を、予め設定しておくことができる。例えば、通常走行時には流量／圧力が２０％以上増加していれば、異常な出力変化を検出可能であるので、この値を適宜設定しておくことで、簡易かつ効果的に異常判定を行なうことができる。
【００２５】
本発明の請求項６に記載の発明のように、第２の流量／圧力条件を決定するための所定値を、運転状態に応じて設定または補正するようにしてもよい。例えば、低負荷運転時には排出微粒子中の炭化水素（ＨＣ）成分が増え、パティキュレートフィルタに付着しやすくなる。換言すれば微粒子状物質がすり抜けにくくなるので、第１の流量／圧力条件と第２の流量／圧力条件の差をより大きくすることで、精度よく異常判定を行なうことができる。
【００２６】
本発明の請求項７に記載の発明のように、排出微粒子センサの検出部は、絶縁性基体に設けた一対の櫛歯状検出電極にて容易に形成される。好適には、絶縁性基体の裏面にヒータ部を形成して、検出部を所定温度範囲に加熱すると、抵抗値変化量を大きくかつ検出可能時間比率が増加でき検出精度を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図２】本発明の異常検出装置が適用されるディーゼルエンジンのシステム全体概略図である。
【図３】ＰＭセンサの主要部であるＰＭ検出素子構成を示す図である。
【図４】ＰＭセンサをディーゼルエンジンの排気管に取り付けた状態を示す図である。
【図５】ＰＭ堆積量と電極間抵抗値の関係を示す図である。
【図６】ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流側の排気管における排気圧力Ｐと、ＰＭセンサの出力の関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の異常検出装置の出力例であり、本発明のＰＭセンサの検出部の昇温度と抵抗変化率の関係を、正常時と異常時とで比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２は、過給装置付きディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム全体概略図で、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプＰＭＰにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。内部を排気通路とする排気管２には、パティキュレートフィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦと、排出微粒子センサであるＰＭセンサ１が設けられ、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵとともに、本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を構成している。図１は、電子制御ユニットＥＣＵによる異常検出処理のフローチャートで、詳細は後述する。
【００２９】
図２において、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨＥＸには、ターボ過給装置ＴＲＢのタービンＴＲＢＴが設けられ、タービンＴＲＢＴに連動してコンプレッサＴＲＢＣが回転すると、圧縮された空気が、吸気スロットルＶＴＨ、インタクーラＣＬＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲ弁ＶＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨＩＮに還流する。電子制御ユニットＥＣＵは、タービンＴＲＢＴに設けたノズルベーン（ＶＮ）開度を調整することで、過給圧を制御し、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲの開度を調整することで、ＥＧＲ還流量を制御する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。コンプレッサＣＰＲ上流の吸気管３には、吸入される新気の流量を計測するエアフローメータＡＦＭが設けられる。
【００３０】
吸気スロットルＶＴＨ、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ、過給装置ＴＲＢは、本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置において、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排出ガスの流量または圧力を調整するにおける流量／圧力調整手段として機能する。
【００３１】
排気マニホールドＭＨＥＸに接続する排気管２には、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管２に排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、微粒子状物質ＰＭが捕集される。ＮＯｘ除去には、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの後段に、図略の選択触媒還元ＳＣＲ等が設けられて、ＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに還元して除去する。
【００３２】
ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。
【００３３】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の微粒子状物質ＰＭを捕獲する。なお、ここでは、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを別体に設けているが、これらを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。
【００３４】
本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの量（ＰＭ捕集量）を知るために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を電子制御ユニットＥＣＵに出力する。差圧センサＳＰに代えて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側にそれぞれ圧力センサを設置することもできる。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。電子制御ユニットＥＣＵは、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。
【００３５】
電子制御ユニットＥＣＵによる再生制御では、例えばポスト噴射等を行って排気中のＨＣを増量し、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣでのＨＣ反応熱によりディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの温度を、微粒子状物質ＰＭの燃焼温度以上に上昇させる。この時、温度センサＳＴ２、ＳＴ３によりディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの入ガス温度、出ガス温度を監視して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが所定の温度範囲となるように制御する。微粒子状物質ＰＭが自然燃焼可能な運転条件では、再生制御を実施しない設定とすることで、燃料消費を抑制することもできる。電子制御ユニットＥＣＵは、さらに図示しない各種センサからの検出信号が入力しており、これら信号に基づく最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出して、燃料噴射を制御する。
【００３６】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流の排気管２には、ＰＭセンサ１が配置されて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭを検出する。図３は、ＰＭセンサ１の主要部であるＰＭ検出素子１０を示す図であり、図４は、ＰＭ検出素子部１０を含むＰＭセンサ１を排気管２に取り付けた状態を示す図である。図３において、ＰＭ検出素子１０は、絶縁性基体である絶縁基板１３表面に一対の検出電極１１、１２を形成した検出部１００と、一対の検出電極１１、１２と外部の抵抗計測手段とを導通させるリード部１１１、１２１と、検出部１００の裏面側に積層されて、これを所定温度（例えば４００℃〜６００℃程度）に加熱するためのヒータ部３００を有している。
【００３７】
検出部１００は、アルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料をドクターブレード法、プレス成形法等の公知の手法を用いて平板状の絶縁基板１３に形成し、その先端部表面に、所定の電極間距離をおいて一対の櫛歯形状の検出電極１１、１２を対向配設させてなる。検出電極１１、１２は、例えば白金等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成される。ヒータ部３００は、同様にして形成した平板状の絶縁基板３３と、その先端部表面に所定パターンで形成したヒータ電極３０からなり、リード部３１、３２によって外部の通電手段に接続されている。
【００３８】
図４において、ＰＭセンサ１は、排気管２の管壁２０に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたＰＭ検出素子１０の上半部を保持している。ＰＭ検出素子１０の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管２内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の底部および側部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した微粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流通する孔４１０、４１１が穿設されている。
【００３９】
この時、微粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、図示するように、ＰＭ検出素子１０の検出部１００が排気管２の上流側を向くように配置するとよい。また、検出部１００を除く絶縁基板１３の表面に、リード部１１１、１２１を覆って絶縁性保護層１４を形成すると、リード部１１１、１２１間に微粒子状物質ＰＭが堆積することによる誤検出を防止することができる。
【００４０】
次に、ＰＭセンサ１の基本作動について説明する。図４において、被測定ガスとなる排出ガスは、ＰＭセンサ１のカバー体４０の孔４１０、４１１から内部に導出入される。より詳細には排ガス流に正対する位置の孔４１１より内部に導入され、下流側に位置する孔４１１または底面に位置する孔４１０より排出され、ＰＭ検出素子１０の検出部１００に到達する。図３において、検出部１００の表面には、櫛歯形状の検出電極１１、１２が所定の間隙を有して形成されているので、排出ガスと接触することにより、導電性の微粒子状炭素を含む微粒子状物質ＰＭが付着し徐々に堆積すると、ある時点で検出電極１１、１２間が導通する。図５は、ＰＭ堆積量を一定速度で増加させた時の、検出電極１１、１２間の電気抵抗値の変化を示すもので、略絶縁状態である初期状態には、電極間抵抗は１×１０７Ω以上となっており、検出電極１１、１２間が導通すると、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は急激に低下して１×１０３Ω程度となる。なお、この電極間抵抗または抵抗変化率は、検出部１００の温度に応じて変化する。
【００４１】
このため、通常は、ＰＭセンサ１のヒータ部３００により検出部１００の温度を、例えば４００〜６００℃の範囲で略一定に保持した状態で、ＰＭセンサ１の出力を監視する。この温度範囲では抵抗変化率が大きく、検出可能状態を長く維持でき、精度よい検出が可能となる。より詳しくは、温度が低い場合は付着するＰＭ量が多いため、センサ出力が短時間で飽和して再生処理の回数が増え、検出可能状態が短くなる。また温度が高い場合は付着した一部のＰＭが燃焼するため、見かけ上の付着ＰＭが減少し、抵抗変化率が小さくなるので精度よい検出が難しい。
【００４２】
ここで、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに、セル壁や栓詰め部の破損、溶損といった何らかの不具合が生じて、正常な捕集が困難になると、排出ガスとともに放出される微粒子状物質ＰＭが増加する。そこで、従来は、ＰＭ堆積量と電気抵抗値の関係に基づいて、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗値を予め設定した閾値と比較し、故障判定を行っている。例えば、所定期間にディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭが、正常時よりも明らかに多ければ、異常と判断することができる。
【００４３】
ところが、前述したように、運転状態によってエンジンＥ／Ｇから排出される微粒子状物質ＰＭの量や性質が変動するので、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭの量も増減する。従来は、これを考慮することなく、微粒子状物質ＰＭの量を基に判定を行っていたものであり、判定閾値を一定値とすると誤判定のおそれがある。あるいは、運転状態に応じたマップを基に補正を行ったり判定閾値を変更したりすることも可能であるが、マップ量が増大する。
【００４４】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、このような従来の不具合を解消するために、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気管２における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段の検出結果と、ＰＭセンサ１の検出結果に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を検出する異常検出部を備える。異常検出部は、ＰＭセンサ１による微粒子状物質ＰＭの検出を、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において実施する。この時、第１の流量／圧力条件は、異常検出開始時点における流量または圧力とし、これよりも流量が多いまたは圧力が高い第２の流量／圧力条件を設定する。そして、これら第１および第２の流量／圧力条件でのセンサ出力値を比較することで、異常の有無を判断する。ここで第１の流量／圧力条件が大きいまたは高い場合は、第１および第２の流量／圧力条件の大小または高低関係を逆にすることも可能である。
【００４５】
図６は、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側の排気管２における排気圧力Ｐと、ＰＭセンサ１の出力すなわち微粒子状物質ＰＭのすり抜け量の関係を示すものである。ここでは、破損等がない正常なディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（正常時）と、内部のセル壁に破損が生じているディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（ＤＰＦ破損時）を用意し、それぞれ排気圧力Ｐを所定範囲で変更した時のＰＭセンサ１の出力値変化を調べた。図に明らかなように、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの捕集特性として、正常時には、ＤＰＦ上流圧力がＰ１からＰ２に高まっても、ＰＭすり抜け量は大きく変わらないのに対し、破損時には、ＤＰＦ上流圧力が高いほどすり抜け量がより多くなっている。
【００４６】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの捕集が正常に行われている場合は、細孔に捕集されずにすり抜ける微粒子状物質ＰＭはわずかであり、微粒子であるために排気圧力が高まってもすり抜け量が大きく増えることはない。一方、ＤＰＦ破損時には、セル壁に生じたクラックや栓詰めの破損個所による見かけ上のフィルタ孔面積の増加から、すり抜けてくるＰＭ量が増大すること、およびフィルタ細孔の大径化による粗大粒子（小粒子の集合体）もすり抜けてくる。このため、正常時に比べて排気圧力の影響が大きくなり、排気圧力が高まると粗大粒子がより多く抜けてくるために、ＰＭすり抜け量が急激に増加する。排気圧力に代えて、排気流量を変化させた場合も、ＤＰＦ上流の排気流量Ｖ１と排気流量Ｖ２について同様の関係が得られる。
【００４７】
本発明は、図６の排出ガスの流量または圧力によるＰＭすり抜け量の差に着目したものであり、排気圧力が低い第１の圧力条件Ｐ１と、排気圧力が高い第２の圧力条件Ｐ２とにおいて、それぞれＰＭセンサ１により所定期間における抵抗変化率を検出し、検出した抵抗変化率の差を、正常時と比較する。排気流量小の第１の流量条件Ｖ１と、排気流量大の第２の流量条件Ｖ２とにおいて、検出した抵抗変化率の差を比較してもよい。第１の圧力条件Ｐ１（または流量条件Ｖ１）と、第２の圧力条件Ｐ２（または流量条件Ｖ２）の差ΔＰ（またはΔＶ）と、正常時の抵抗変化率の差に基づく所定値（判定閾値）を、予め設定しておくことで、異常判断が容易にできる。
【００４８】
排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段は、排出ガスの流量または圧力を、直接または間接的に検出できるものであればよい。例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流に排気流量計や圧力センサを設置して、直接、流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段とする他、一般に、エンジンＥ／Ｇに吸入される新気量は排気流量と相関があるので、エアフロメータＡＦＭを排気流量検出手段として利用することができる。また、差圧センサＳＰに代えて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側にそれぞれ圧力センサを有する構成であれば、上流側の圧力センサを、排気圧力検出手段として利用することができる。
【００４９】
次に、図１のフローチャートに基づいて、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵが備える判定手段の一例を説明する。本実施形態は、排出ガスの流量が異なる第１の流量条件Ｖ１と第２の流量条件Ｖ２において、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。図１において、異常検出を開始すると、ステップＳ１００では、まず各種センサからのデータ取込を行い、排出ガス温度Ｔ１として、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の温度センサＳＴ２出力を取り込む。また、図示しない水温センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの冷却水温Ｔｗを、エンジン回転数センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥを取り込み、アクセル開度センサ等の出力に基づき燃料噴射量Ｑを求める。さらに、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量（ＤＰＦ前流量Ｖ０）として、エアフロメータＡＦＭ出力を取り込む。
【００５０】
本実施形態では、第１の流量条件Ｖ１は、異常検出開始時の排気流量であり、成り行きで決定される。ここでは、ステップＳ１００にて取り込んだエアフロメータＡＦＭによる吸入空気量（質量流量）を、ＤＰＦ前流量Ｖ０（成行）とする。ステップＳ１１０では、この成行ＤＰＦ前流量Ｖ０を、第１の流量条件である検出ＤＰＦ前流量Ｖ１に設定する。
【００５１】
ステップＳ１２０では、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１（第１の流量条件）におけるＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ１（第１の出力値変化）を計測する。この時、一定時間経過後の検出部１００の抵抗変化率は、検出電極１１、１２間に付着した微粒子状物質ＰＭの変化率（付着面積および付着厚さ）に比例し、また、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常がある場合には、前述した図６に示したように、検出される抵抗変化率ΔＲ１は正常時よりも大きくなる。
【００５２】
次に、ステップＳ１３０では、第２の流量条件Ｖ２を設定するための変化流量差ΔＶを決定する。ここで決定される変化流量差ΔＶは、ＤＰＦ破損等の異常があった場合に、正常時に対して明らかな差異が検出できる流量差とする。具体的には、狙い流量として、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１に対して、少なくとも２０％以上の流量増加、好適には５０％以上の流量増加となるように、図６に示した関係から、予め所定の変化流量差ΔＶを設定しておくことができる。流量が最低でも２０％増加すれば、正常時との比較により異常判定が可能であり、変化流量差ΔＶが大きいほど異常判定は容易になるが、成り行きによる流量変化で計測可能な第２の流量条件に達する確率が低くなる。変化流量差ΔＶを、ステップＳ１１０で取り込んだ各種データから知られる運転状態に応じて、設定するようにすることもできる。
【００５３】
ステップＳ１４０では、第２の流量条件となるまで待機する。まず、再度エアフロメータＡＦＭ出力から成行ＤＰＦ前流量Ｖ２を算出し、[成行ＤＰＦ前流量Ｖ２−成行ＤＰＦ前流量Ｖ１]の絶対値が、所定の変化流量差ΔＶ以上となったか否かを判定する。肯定判定されたら、ステップＳ１５０へ進み、否定判定されたら肯定判定されるまで本ステップを繰り返す。運転条件の変化、例えば加速または減速運転により、排気流量は比較的容易に変化するので、予め変化流量差ΔＶを適切な値に設定しておくことで、第２の流量条件（成行ＤＰＦ前流量Ｖ２＝成行ＤＰＦ前流量Ｖ１±ΔＶ）とすることができる。
【００５４】
ステップＳ１５０では、成行ＤＰＦ前流量Ｖ２（第２の流量条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２（第２の出力値変化）を計測する。ＤＰＦに何らかの異常がある場合、ＰＭセンサ１の検出出力の時間変化が大きくなるだけでなく、第１、第２の流量条件における抵抗変化率の差が大きくなる。そこで、続くステップ１６０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較して、異常判定を行う。ここでは、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）を算出し、単位流量当たりの差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）／（ΔＶ１−ΔＶ２）が予め設定した所定値を超えたか否かを判定する。所定値は、例えば図６に示される関係に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが正常に作動している場合の値よりも十分大きく、何らかの異常があると判断できる値以上であればよい。あるいは軽微な破損や性能低下または溶損といった異常の種類に対応する複数の値を予め実験等によって設定しておくこともできる。
【００５５】
ステップ１６０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ１６０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００５６】
以上のように、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量が異なる２つの流量条件を成り行きで設定し、変化流量差ΔＶの第１の流量条件と第２の流量条件での抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易に検出することができる。したがって、電気抵抗式のＰＭセンサを用いた比較的簡易な構成で、大量のマップや温度補正を不要として、かつ精度よい判定が可能である。
【００５７】
次に、図７のフローチャートに基づいて、本発明の第２実施形態における異常検出部の判定手段を説明する。本実施形態は、異常診断開始時に、第１の流量条件Ｖ１を成り行きで決定した後、定めた所定期間内に第２の流量条件Ｖ２とならなかった時に、強制的に第２の流量条件Ｖ２として、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。図７のステップＳ２００〜Ｓ２２０は、図１のステップＳ１００〜Ｓ１２０とほぼ同様であり、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵは、まずステップＳ２００で、冷却水温Ｔｗ、排出ガス温度Ｔ１、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥ、燃料噴射量Ｑ等の各種データ取込を行い、エアフロメータＡＦＭ出力からＤＰＦ前流量Ｖ０（成行）を算出する。また、ＰＭセンサ１出力として検出電極１１、１２間の抵抗Ｒ０を計測する。
【００５８】
ステップＳ２１０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の流量を、第１の流量条件に設定する。ここでは、ステップＳ２００で取り込んだ成行ＤＰＦ前流量Ｖ０を、第１の流量条件である検出ＤＰＦ前流量Ｖ１とする（検出ＤＰＦ前流量Ｖ１＝成行ＤＰＦ前流量Ｖ０）。ステップＳ２２０では、再度ＰＭセンサ１出力を取り込み、ステップＳ２００で取り込んだＰＭセンサ１出力Ｒ０から、検出出力の時間変化ΔＲ１を算出して、メモリに記憶させる。
【００５９】
ステップＳ２３０では、第２の流量条件Ｖ２を設定するための変化流量差ΔＶを決定する。狙い流量としては、最低２０％以上増加、好ましくは５０％以上増加とする。また、成り行きで第２の流量条件Ｖ２となるまで待機する最大待機時間timeMaxを設定する。ここで、最大待機時間timeMaxは、異常検出開始時に定めた所定期間は、ステップＳ２１０で計測したＰＭセンサ１出力Ｒ０と、ＰＭセンサ１に許容量最大に微粒子状物質ＰＭを堆積させたときの出力とを比較して、例えば許容量の８０％程度に到達すると予想される時間、またはモード走行時間（２０分）に３回程度、故障診断ができるような所定時間とする。
【００６０】
ステップＳ２４０では、タイマーをスタートさせ、タイマーの計測値を待機時間ｔ１とする。続くステップＳ２５０では、タイマーで計測された待機時間ｔ１が最大待機時間timeMax未満か否かを判定し、肯定判定された場合はステップＳ２６０へ進む。ステップＳ２６０で・BR>ヘ、再度エアフロメータＡＦＭ出力から成行ＤＰＦ前流量Ｖ２を算出し、[成行ＤＰＦ前流量Ｖ２−成行ＤＰＦ前流量Ｖ１]の絶対値が、所定の変化流量差ΔＶ以上になったか否かを判定する。ステップＳ２６０が否定判定されたら、待機を継続するためにステップＳ２５０に戻り、肯定判定されるまでステップＳ２５０、Ｓ２６０を繰り返す。ステップＳ２６０が肯定判定されたら、ステップＳ２８０へ進む。
【００６１】
ステップＳ２６０が否定判定された後、戻ったステップＳ２５０が否定判定された場合は、待機時間ｔ１が最大待機時間timeMaxに達しているので、待機を終了し、強制的に第２の流量条件Ｖ２とするために、ステップＳ２７０へ進む。ステップＳ２７０では、狙い流量である［成行ＤＰＦ前流量Ｖ１＋ΔＶ］とするために、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量をΔＶ増量する操作を行う。次に、強制的に流量を変えるための方法について述べる。
【００６２】
ここで、強制的に流量を変えるための流量調整手段としては、吸気スロットルＶＴＨ（吸気量）、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ（ＥＧＲ還流量）、ターボ過給装置ＴＲＢ（過給量）がある。これらのうち少なくとも１つあるいは複数を調整することにより、排気流量を増加させることができる。この時、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１またはステップＳ２１０で取り込んだデータにより知られる運転状態に応じて、流量調整手段を選択すると、効率よく所望の排気流量とすることができる。その一例として、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が、アイドル運転領域に相当する流量である場合、例えば吸気量５ｇ/ｓの時には、吸気スロットルＶＴＨによる吸気量の５０％以上の増量が容易であるので、狙い流量（第２の流量条件）となる吸気例として７．５ｇ/ｓ〜１０ｇ/ｓとし、燃料噴射量Ｑ一定のまま、吸気スロットルＶＴＨ開度をより開き側として、新気を導入する。その時にトルク変動を最小にするため、予め取り込んでおいたマップなどにより、着火時期がほぼ同じになるように噴射時期を遅角またはＥＧＲ弁ＶＥＧＲによるＥＧＲ還流量を増加させる。これによりトルク変動最小で強制的にＤＰＦ前の排気流量を増加できる。
【００６３】
次に、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が通常運転領域に相当する流量である場合、例えば吸気量が１０〜３０ｇ/ｓの範囲においても、アイドル運転領域での強制的流量増加手法を適用可能であり、同様に５０％以上の増量となるように吸気スロットルＶＴＨ開度を調整すればよい。加えて、図１のような過給装置付きディーゼルエンジンＥ／Ｇでは、ターボ過給装置ＴＲＢも活用することができる。その場合は燃料噴射量Ｑ一定で、ターボ過給装置ＴＲＢと吸気スロットルＶＴＨで新気量を調整し、トルク変動を最小にした状態で、排気流量を増加させるとよい。さらに、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が高速高負荷運転に相当する領域では、通常、吸気スロットルＶＴＨは全開、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲは全閉の状態に制御される。このため、流量調整手段としてはターボ過給装置ＴＲＢを用い、ノズルベーン（ＶＮ）を調整することで、強制的に流量を変化させることができる。
【００６４】
ステップＳ２８０では、成行ＤＰＦ前流量Ｖ２（第２の流量条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２を計測する。そして、続くステップ２９０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較する。本実施形態においても、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）を算出し、単位流量当たりの差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）／（ΔＶ１−ΔＶ２）が予め設定した所定値を超えたか否かによって、異常判定を行う。
【００６５】
ステップ２９０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ２９０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量が異なる第１の流量条件と第２の流量条件（変化流量差ΔＶ）を成り行きで設定するだけでなく、所定の最大待機時間timeMaxを越えた場合には、強制的に第１の流量条件から変化流量差ΔＶだけ増量して、第２の流量条件とする。これにより、定常運転状態で流量変化が小さい場合であっても、２つの流量条件における出力変化を検出し、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易かつ確実に検出することができる。
【００６７】
次に、図８のフローチャートに基づいて、本発明の第３実施形態における異常検出部の判定手段を説明する。図９は、本実施形態に基づく異常診断時のＰＭセンサ１の出力検出例である。上記第１、第２実施形態では異常診断を、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量で規定したが、本実施形態では圧力で規定し、異常診断開始時に、第１の圧力条件Ｐ１を成り行きで決定した後、昇圧度ΔＰを決定し、第１の圧力条件より圧力を高めた第２の圧力条件Ｐ２として、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。また、昇圧度ΔＰを決定するに際して、運転状態による微粒子状物質ＰＭの性状を考慮して、昇圧度ΔＰの補正を行う。
【００６８】
図８のステップＳ３００〜Ｓ３２０は、図１のステップＳ１００〜Ｓ１２０とほぼ同様であり、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵは、まずステップＳ３００で、冷却水温Ｔｗ、排出ガス温度Ｔ１、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥ、燃料噴射量Ｑ等の各種データ取込を行う。また、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流に設置した圧力センサからＤＰＦ前圧力Ｐ０（成行）を算出する。
【００６９】
ステップＳ３１０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を、第１の圧力条件に設定する。ここでは、ステップＳ３００で取り込んだ成行ＤＰＦ前圧力Ｐ０を、第１の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１とする（検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１＝成行ＤＰＦ前圧力Ｐ０）。ステップＳ３２０では、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）におけるＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ１（第１の出力値変化）を計測して、メモリに記憶させる。
【００７０】
ステップＳ３３０では、第２の圧力条件を設定するための昇圧度ΔＰを決定する。上記第１、第２実施形態のように、成り行きで圧力が所定の変化圧力差となるまで待機することもできるが、本実施形態では待機せずに強制的に圧力を第２の圧力条件まで変化させる例としている。昇圧度ΔＰの決定方法は流量の場合と同様であり、上述したように狙い流量で最低２０％以上好ましくは５０％以上増加となるように、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１に応じて昇圧度ΔＰを設定する。さらに、ステップＳ３４０で所定以下の低温または低負荷条件か否かを判定し、肯定判定された場合には、ステップＳ３５０に進んで昇圧度ΔＰを補正する。否定判定された場合には、ステップＳ３６０に進む。
【００７１】
ステップＳ３４０、Ｓ３５０は、運転条件によって微粒子状物質ＰＭに含まれる炭化水素（ＨＣ）分が増減すること、特にエンジン始動直後や低負荷運転時には、炭化水素（ＨＣ）分が多くなるために、微粒子状物質ＰＭがディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに付着しやすくなることに着目したものである。このような運転条件では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに異常が生じても微粒子状物質ＰＭのすり抜け量の変化が生じにくくなる。そこで、ステップＳ３００で取り込んだエンジン冷却水温その他データから運転状態を判断して、昇圧度ΔＰをより高く設定し、異常診断が確実にできるようにする。
【００７２】
ステップＳ３６０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を、第２の圧力条件に設定する。ここでは第１の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１から、ステップＳ３４０で決定した昇圧度ΔＰ（またはステップＳ３５０で補正した昇圧度ΔＰ）だけ、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を強制的に変化させる。この時、第２の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２＝検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１＋昇圧度ΔＰである。
【００７３】
強制的に圧力を変える場合も、前述の流量調整手段と同様に、吸気スロットルＶＴＨ、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ、ターボ過給装置ＴＲＢを圧力調整手段として利用することができる。これらのうち少なくとも１つあるいは複数を調整することにより、圧力を増加させる操作を行って、昇圧度ΔＰに相当する圧力を増加させる。好適には、噴射量Ｑ、新気量一定として、ＥＧＲ量を増加させることで行い、燃料と酸素量の比率を変えないようにして、圧力を高める事が望ましい。
【００７４】
ステップＳ３７０では、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２（第２の圧力条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２を計測する。そして、続くステップ３８０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較する。本実施形態においても、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値｜△Ｒ２−△Ｒ１｜を算出し、予め設定した所定値を超えたか否かによって、異常判定を行う。
【００７５】
図９に示すように、ＰＭセンサ１の出力は、成り行きで設定される検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）における出力変化率に対して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流圧力を高めると、出力変化率が大きくなる。ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに破損等がある異常時には、圧力上昇中のセンサ出力変化が正常時に比べて大きくなるため、昇圧度ΔＰとした検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２（第２の圧力条件）における出力変化率を、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）における出力変化率と比較することで、故障が容易に判定できる。
【００７６】
ステップ３８０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ３８０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００７７】
本実施形態のように、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気圧力が異なる第１の圧力条件と第２の圧力条件（昇圧度ΔＰ）における出力変化を比較することによっても、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易かつ確実に検出することができる。また、第１の圧力条件から待機せずに第２の圧力条件に昇圧することによって、速やかな異常検出が可能となる。
【００７８】
なお、上記第１、第２の実施形態は、流量を変化させた場合、上記第３の実施形態は、圧力を変化させた場合の例として説明したが、それぞれ流量または圧力に限定されるものではなく、各異常判定のフローチャートは流量または圧力条件を変化させたいずれの場合にも適用できる。
【００７９】
また、本発明で用いるＰＭセンサは、上記実施形態の構成に限らず、一対の検出電極の形状や配置、ヒータ部、カバー体その他各部構成を、適宜変更することもできる。さらに、パティキュレートフィルタの構成や、排気処理システム、燃料噴射システムの各部構成を任意に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタを搭載した自動車への設置が義務付けられる車載式故障診断装置（ＯＢＤ）等の用途に用いられて、環境汚染物質の排出を防止する。また、自動車用ディーゼルエンジンに限らず、システム構成の異なる他のエンジンや、排気通路に排出ガスに含まれる微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備えるシステムのいずれにも好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
ＡＦＭ エアフローメータ（流量／圧力検出手段）
ＴＲＢ 、ターボ過給機（流量／圧力制御手段）
ＴＲＢＣ コンプレッサ
ＴＲＢＴ タービン
ＶＴＨ スロットル弁（流量／圧力制御手段）
ＶＥＧＲ ＥＧＲ弁（流量／圧力制御手段）
ＳＰ 差圧センサ
ＤＰＦ ディーゼルパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
Ｅ／Ｇ ディーゼルエンジン（内燃機関）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
１ ＰＭセンサ（排出微粒子センサ）
１０ ＰＭ検出素子
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ リード部
１３ 絶縁性基板（絶縁性基体）
１４ 絶縁性保護層
２ 排気管（排気通路）
２０ 管壁
３０ ヒータ電極
３１、３２ リード部
３００ ヒータ部
４０ カバー体
４１０、４１１ 孔
５０ ハウジング
６０ インシュレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用内燃機関の排出ガス中に存在する微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの異常検出装置に関し、特に、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いて、パティキュレートフィルタをすり抜ける微粒子状物質の量を検出することにより破損等の異常を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ディーゼルエンジン等において、排出ガスに含まれる環境汚染物質、特に微粒子状炭素（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする微粒子状物質（Particulate Matter；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排出ガスを通過させてＰＭを捕捉する。さらに、ＰＭ捕集量が規定量を超えると、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させる。
【０００３】
再生時期の判断には、例えば、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用することができ、差圧センサの検出結果に基づいてＰＭ捕集量を検出している。また、ＤＰＦの破損などで排ガスの流通に異常が生じると、前後差圧が正常な場合に比して変化するため、これを利用してＤＰＦの異常検出を行い得る。一般に、ＤＰＦの前後差圧が所定値を下回ったら破損により排ガスが漏れているものと判断する。また、特許文献１には、前後差圧に基づいて演算されたＰＭ堆積量と、エンジン運転状態から知られるＰＭ排出量の積算により算出されたＰＭ堆積量とを比較し、両者に大きな不整合が生じたらＤＰＦ４の異常と判定する装置が記載されている。
【０００４】
一方、排出ガス中のＰＭを直接検出するための電気抵抗式のセンサが提案されており、これをＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、あるいはＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定するシステムが検討されている。前者は差圧センサに代わる再生時期の判断に、後者は、ＤＰＦの作動状態の監視、劣化や破損等の判断に利用される。近年は、環境汚染防止のために、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）の設置が義務付けられており、後者の重要性が増している。
【０００５】
電気抵抗式のセンサは微粒子状炭素が導電性を有することを利用したもので、特許文献２、３には、耐熱性を有する絶縁性基板の表面に、一対の導電性電極を形成した基本構成が開示されている。このセンサを、ＰＭが含まれる排出ガスの通路に配置すると、検出部となる電極間に、微粒子状炭素が付着することによる抵抗値の変化から、ＰＭを検出することができる。なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排出ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。
【０００６】
故障診断については、特許文献４に、電気抵抗式のセンサを用いてＤＰＦの破損状態を検出するシステムが例示されている。特許文献４の装置では、ＤＰＦ下流の排気通路に、ＰＭが付着する電気絶縁層と、該電気絶縁層に相互に離間して設けた複数の電極と、ヒータ層を有するセンサを配置し、複数の電極間の電気抵抗値に相関する指標を計測して、計測値が所定基準より小さくなるとＤＰＦ故障と判定するＥＣＵを備えた故障判定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３４４６１９号公報
【特許文献２】特公平２−４４３８６号公報
【特許文献３】特開昭５９−１９６４５３号公報
【特許文献４】特開２００９−１４４５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
微粒子状炭素が堆積すると電極間が導通し、当初の絶縁状態から抵抗値が低下するので、特許文献４では、この関係から故障判定閾値（所定基準）を求め、モニタした電極間抵抗値と比較する。閾値は、例えばＯＢＤ規制値を基準にして設定される。特許文献１のように、前後差圧に基づく方式に対して、特許文献４の装置は、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を直接検出するので、クラック等の軽微な故障についても精度よく判定を行うことが期待される。
【０００９】
しかしながら、ＤＰＦに異常がない状態でも、わずかながらＤＰＦをすり抜けるＰＭが存在すると、電気絶縁層に付着するＰＭ量は徐々に増加する。このため、予め実験等を行ってＰＭ堆積量と電気抵抗値（もしくは変化量）の関係を調べておく必要があるだけでなく、さらに、正常な状態での検出量を予め調べて特定しておき、算出したＰＭ量と比較することによって、ＤＰＦによる捕集が正常に行われているかどうかを判断することになる。
【００１０】
ところが、エンジンからの排出ガスに含まれるＰＭ量は、運転状態（負荷や回転数）によっても大きく変化する。ＰＭが増加する傾向は、負荷が高くなるほど、例えば、エンジン始動時のような低回転数から高回転数までの全域でＰＭ量が多くなる。また出力領域まで回転数が高くなるとＰＭ量が増加する傾向がある。さらに運転状態によって、排出されるＰＭの性状や粒子分布が変動すると、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量も変動する。そのため、ＤＰＦの性能低下や破損の有無を判定するには、運転状態に対して予め求めておいたＰＭ量マップと現在のＰＭ量を比較することになるが、全運転領域をマップ化することは容易でない。また、ＤＰＦへのＰＭ堆積状態によっても、ＰＭのすり抜け量は変動することから、ＰＭ堆積量との関係もマップ化する必要があり、格納するマップ量を増大する上、故障判定の工程も煩雑になる問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、内燃機関の排出ガスを処理するＤＰＦの異常の有無を判断するための、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法を提供し、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理の必要がなく、応答性および精度の高い異常検出装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、
内燃機関の排気通路において、排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段と、
上記流量／圧力検出手段および上記排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
上記異常検出部は、上記排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態における、上記排出微粒子センサの出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備える。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明において、上記異常検出部は、異常検出開始時の運転状態における上記排出ガスの流量または圧力を、第１の流量／圧力条件として、上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定し、次いで、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となるように、例えば、第１の流量／圧力条件よりも流量が大きいまたは圧力が高い第２の流量／圧力条件を設定して、該第２の流量／圧力条件における上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する。また、第１の流量／圧力条件が大きいまたは高い場合は、第２の流量／圧力条件を第１の条件より流量が小さいまたは圧力が低い条件に設定して、該第２の条件にて上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果が上記第２の流量／圧力条件になるまで待機し、上記第２の流量／圧力条件となった時に、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定して、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を調整する流量／圧力調整手段を備えており、
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果を監視し、所定期間内に上記第２の流量／圧力条件にならなかった時に、上記流量／圧力調整手段を用いて強制的に上記第２の流量／圧力条件に調整して、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定し、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、予め設定した所定値とする。
【００１７】
本発明の請求項６に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、運転状態に応じて設定する。
【００１８】
本発明の請求項７に記載の発明において、上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して、上記検出部を所定温度に加熱するヒータ部とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の発明は、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法によりパティキュレートフィルタの異常検出を行う。排出ガスがパティキュレートフィルタ内に流入すると、微粒子状物質がパティキュレートフィルタを構成する多孔質セラミックスの細孔に捕集され、堆積していく。パティキュレートフィルタに破損等の異常が生じると、破損部からパティキュレートフィルタをすり抜けて下流の排出微粒子センサに流入する微粒子状物質の量が多くなるので、異常検出部は、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において、それぞれセンサ出力値を得る。これは、異常時には、正常時に比べてすり抜ける微粒子状物質は比較的粗大な粒子が多くなり、流量または圧力の変化に対してすり抜ける微粒子状物質の量、排出微粒子センサの検出部への付着率が変化し、出力変化が急になることに着目したものである。
【００２０】
このため、これら２水準の流量または圧力で検出されたセンサ出力値は、パティキュレートフィルタに異常がある場合、その差分値または比の値が正常な場合に比べて大きくなる。したがって、これら出力値を比較することで、パティキュレートフィルタが正常に機能しているかどうかを容易に判定することができる。よって、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理が不要であり、応答性よく高精度な異常検出装置を実現できる。
【００２１】
本発明の請求項２に記載の発明のように、具体的には、異常検出開始時の流量／圧力検出手段の検出結果を、第１の流量／圧力条件とし、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となる上記第２の流量／圧力条件を設定するのがよい。流量または圧力の増大により、パティキュレートフィルタを微粒子状物質がすり抜けやすくなり、すり抜け量の増加および粗大粒子の比率が多くなることにより、出力が大きく変化するので、正常時の出力変化と比較することで、効果的に異常検出ができる。
【００２２】
本発明の請求項３に記載の発明のように、運転状態の変化により流量または圧力は変動するので、第１の流量／圧力条件にて第１の出力値変化を測定した後、予め設定した第２の流量／圧力条件になるまで待機することで、容易に異常判定を行なうことができる。
【００２３】
本発明の請求項４に記載の発明のように、あるいは、流量／圧力調整手段を用いて、強制的に第２の流量／圧力条件とすることもできる。この時、流量／圧力調整手段を作動させる前に所定期間待機し、待機中に第２の流量／圧力条件まで変化した場合には、流量／圧力調整手段を作動させることなく第２の出力値変化を測定する。これにより、運転状態への影響を最小限とし、効率よく異常判定を行なうことができる。
【００２４】
本発明の請求項５に記載の発明のように、第１の流量／圧力条件に対して、第２の流量／圧力条件を決定するための所定値を、予め設定しておくことができる。例えば、通常走行時には流量／圧力が２０％以上増加していれば、異常な出力変化を検出可能であるので、この値を適宜設定しておくことで、簡易かつ効果的に異常判定を行なうことができる。
【００２５】
本発明の請求項６に記載の発明のように、第２の流量／圧力条件を決定するための所定値を、運転状態に応じて設定または補正するようにしてもよい。例えば、低負荷運転時には排出微粒子中の炭化水素（ＨＣ）成分が増え、パティキュレートフィルタに付着しやすくなる。換言すれば微粒子状物質がすり抜けにくくなるので、第１の流量／圧力条件と第２の流量／圧力条件の差をより大きくすることで、精度よく異常判定を行なうことができる。
【００２６】
本発明の請求項７に記載の発明のように、排出微粒子センサの検出部は、絶縁性基体に設けた一対の櫛歯状検出電極にて容易に形成される。好適には、絶縁性基体の裏面にヒータ部を形成して、検出部を所定温度範囲に加熱すると、抵抗値変化量を大きくかつ検出可能時間比率が増加でき検出精度を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図２】本発明の異常検出装置が適用されるディーゼルエンジンのシステム全体概略図である。
【図３】ＰＭセンサの主要部であるＰＭ検出素子構成を示す図である。
【図４】ＰＭセンサをディーゼルエンジンの排気管に取り付けた状態を示す図である。
【図５】ＰＭ堆積量と電極間抵抗値の関係を示す図である。
【図６】ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流側の排気管における排気圧力Ｐと、ＰＭセンサの出力の関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の異常検出装置の出力例であり、本発明のＰＭセンサの検出部の昇温度と抵抗変化率の関係を、正常時と異常時とで比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２は、過給装置付きディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム全体概略図で、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプＰＭＰにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。内部を排気通路とする排気管２には、パティキュレートフィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦと、排出微粒子センサであるＰＭセンサ１が設けられ、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵとともに、本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を構成している。図１は、電子制御ユニットＥＣＵによる異常検出処理のフローチャートで、詳細は後述する。
【００２９】
図２において、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨＥＸには、ターボ過給装置ＴＲＢのタービンＴＲＢＴが設けられ、タービンＴＲＢＴに連動してコンプレッサＴＲＢＣが回転すると、圧縮された空気が、吸気スロットルＶＴＨ、インタクーラＣＬＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲ弁ＶＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨＩＮに還流する。電子制御ユニットＥＣＵは、タービンＴＲＢＴに設けたノズルベーン（ＶＮ）開度を調整することで、過給圧を制御し、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲの開度を調整することで、ＥＧＲ還流量を制御する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。コンプレッサＣＰＲ上流の吸気管３には、吸入される新気の流量を計測するエアフローメータＡＦＭが設けられる。
【００３０】
吸気スロットルＶＴＨ、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ、過給装置ＴＲＢは、本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置において、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排出ガスの流量または圧力を調整するにおける流量／圧力調整手段として機能する。
【００３１】
排気マニホールドＭＨＥＸに接続する排気管２には、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管２に排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、微粒子状物質ＰＭが捕集される。ＮＯｘ除去には、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの後段に、図略の選択触媒還元ＳＣＲ等が設けられて、ＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに還元して除去する。
【００３２】
ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。
【００３３】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の微粒子状物質ＰＭを捕獲する。なお、ここでは、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを別体に設けているが、これらを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。
【００３４】
本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの量（ＰＭ捕集量）を知るために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を電子制御ユニットＥＣＵに出力する。差圧センサＳＰに代えて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側にそれぞれ圧力センサを設置することもできる。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。電子制御ユニットＥＣＵは、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。
【００３５】
電子制御ユニットＥＣＵによる再生制御では、例えばポスト噴射等を行って排気中のＨＣを増量し、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣでのＨＣ反応熱によりディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの温度を、微粒子状物質ＰＭの燃焼温度以上に上昇させる。この時、温度センサＳＴ２、ＳＴ３によりディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの入ガス温度、出ガス温度を監視して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが所定の温度範囲となるように制御する。微粒子状物質ＰＭが自然燃焼可能な運転条件では、再生制御を実施しない設定とすることで、燃料消費を抑制することもできる。電子制御ユニットＥＣＵは、さらに図示しない各種センサからの検出信号が入力しており、これら信号に基づく最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出して、燃料噴射を制御する。
【００３６】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流の排気管２には、ＰＭセンサ１が配置されて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭを検出する。図３は、ＰＭセンサ１の主要部であるＰＭ検出素子１０を示す図であり、図４は、ＰＭ検出素子部１０を含むＰＭセンサ１を排気管２に取り付けた状態を示す図である。図３において、ＰＭ検出素子１０は、絶縁性基体である絶縁基板１３表面に一対の検出電極１１、１２を形成した検出部１００と、一対の検出電極１１、１２と外部の抵抗計測手段とを導通させるリード部１１１、１２１と、検出部１００の裏面側に積層されて、これを所定温度（例えば４００℃〜６００℃程度）に加熱するためのヒータ部３００を有している。
【００３７】
検出部１００は、アルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料をドクターブレード法、プレス成形法等の公知の手法を用いて平板状の絶縁基板１３に形成し、その先端部表面に、所定の電極間距離をおいて一対の櫛歯形状の検出電極１１、１２を対向配設させてなる。検出電極１１、１２は、例えば白金等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成される。ヒータ部３００は、同様にして形成した平板状の絶縁基板３３と、その先端部表面に所定パターンで形成したヒータ電極３０からなり、リード部３１、３２によって外部の通電手段に接続されている。
【００３８】
図４において、ＰＭセンサ１は、排気管２の管壁２０に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたＰＭ検出素子１０の上半部を保持している。ＰＭ検出素子１０の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管２内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の底部および側部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した微粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流通する孔４１０、４１１が穿設されている。
【００３９】
この時、微粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、図示するように、ＰＭ検出素子１０の検出部１００が排気管２の上流側を向くように配置するとよい。また、検出部１００を除く絶縁基板１３の表面に、リード部１１１、１２１を覆って絶縁性保護層１４を形成すると、リード部１１１、１２１間に微粒子状物質ＰＭが堆積することによる誤検出を防止することができる。
【００４０】
次に、ＰＭセンサ１の基本作動について説明する。図４において、被測定ガスとなる排出ガスは、ＰＭセンサ１のカバー体４０の孔４１０、４１１から内部に導出入される。より詳細には排ガス流に正対する位置の孔４１１より内部に導入され、下流側に位置する孔４１１または底面に位置する孔４１０より排出され、ＰＭ検出素子１０の検出部１００に到達する。図３において、検出部１００の表面には、櫛歯形状の検出電極１１、１２が所定の間隙を有して形成されているので、排出ガスと接触することにより、導電性の微粒子状炭素を含む微粒子状物質ＰＭが付着し徐々に堆積すると、ある時点で検出電極１１、１２間が導通する。図５は、ＰＭ堆積量を一定速度で増加させた時の、検出電極１１、１２間の電気抵抗値の変化を示すもので、略絶縁状態である初期状態には、電極間抵抗は１×１０７Ω以上となっており、検出電極１１、１２間が導通すると、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は急激に低下して１×１０３Ω程度となる。なお、この電極間抵抗または抵抗変化率は、検出部１００の温度に応じて変化する。
【００４１】
このため、通常は、ＰＭセンサ１のヒータ部３００により検出部１００の温度を、例えば４００〜６００℃の範囲で略一定に保持した状態で、ＰＭセンサ１の出力を監視する。この温度範囲では抵抗変化率が大きく、検出可能状態を長く維持でき、精度よい検出が可能となる。より詳しくは、温度が低い場合は付着するＰＭ量が多いため、センサ出力が短時間で飽和して再生処理の回数が増え、検出可能状態が短くなる。また温度が高い場合は付着した一部のＰＭが燃焼するため、見かけ上の付着ＰＭが減少し、抵抗変化率が小さくなるので精度よい検出が難しい。
【００４２】
ここで、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに、セル壁や栓詰め部の破損、溶損といった何らかの不具合が生じて、正常な捕集が困難になると、排出ガスとともに放出される微粒子状物質ＰＭが増加する。そこで、従来は、ＰＭ堆積量と電気抵抗値の関係に基づいて、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗値を予め設定した閾値と比較し、故障判定を行っている。例えば、所定期間にディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭが、正常時よりも明らかに多ければ、異常と判断することができる。
【００４３】
ところが、前述したように、運転状態によってエンジンＥ／Ｇから排出される微粒子状物質ＰＭの量や性質が変動するので、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭの量も増減する。従来は、これを考慮することなく、微粒子状物質ＰＭの量を基に判定を行っていたものであり、判定閾値を一定値とすると誤判定のおそれがある。あるいは、運転状態に応じたマップを基に補正を行ったり判定閾値を変更したりすることも可能であるが、マップ量が増大する。
【００４４】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、このような従来の不具合を解消するために、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気管２における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段の検出結果と、ＰＭセンサ１の検出結果に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を検出する異常検出部を備える。異常検出部は、ＰＭセンサ１による微粒子状物質ＰＭの検出を、排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態において実施する。この時、第１の流量／圧力条件は、異常検出開始時点における流量または圧力とし、これよりも流量が多いまたは圧力が高い第２の流量／圧力条件を設定する。そして、これら第１および第２の流量／圧力条件でのセンサ出力値を比較することで、異常の有無を判断する。ここで第１の流量／圧力条件が大きいまたは高い場合は、第１および第２の流量／圧力条件の大小または高低関係を逆にすることも可能である。
【００４５】
図６は、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側の排気管２における排気圧力Ｐと、ＰＭセンサ１の出力すなわち微粒子状物質ＰＭのすり抜け量の関係を示すものである。ここでは、破損等がない正常なディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（正常時）と、内部のセル壁に破損が生じているディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（ＤＰＦ破損時）を用意し、それぞれ排気圧力Ｐを所定範囲で変更した時のＰＭセンサ１の出力値変化を調べた。図に明らかなように、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの捕集特性として、正常時には、ＤＰＦ上流圧力がＰ１からＰ２に高まっても、ＰＭすり抜け量は大きく変わらないのに対し、破損時には、ＤＰＦ上流圧力が高いほどすり抜け量がより多くなっている。
【００４６】
ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの捕集が正常に行われている場合は、細孔に捕集されずにすり抜ける微粒子状物質ＰＭはわずかであり、微粒子であるために排気圧力が高まってもすり抜け量が大きく増えることはない。一方、ＤＰＦ破損時には、セル壁に生じたクラックや栓詰めの破損個所による見かけ上のフィルタ孔面積の増加から、すり抜けてくるＰＭ量が増大すること、およびフィルタ細孔の大径化による粗大粒子（小粒子の集合体）もすり抜けてくる。このため、正常時に比べて排気圧力の影響が大きくなり、排気圧力が高まると粗大粒子がより多く抜けてくるために、ＰＭすり抜け量が急激に増加する。排気圧力に代えて、排気流量を変化させた場合も、ＤＰＦ上流の排気流量Ｖ１と排気流量Ｖ２について同様の関係が得られる。
【００４７】
本発明は、図６の排出ガスの流量または圧力によるＰＭすり抜け量の差に着目したものであり、排気圧力が低い第１の圧力条件Ｐ１と、排気圧力が高い第２の圧力条件Ｐ２とにおいて、それぞれＰＭセンサ１により所定期間における抵抗変化率を検出し、検出した抵抗変化率の差を、正常時と比較する。排気流量小の第１の流量条件Ｖ１と、排気流量大の第２の流量条件Ｖ２とにおいて、検出した抵抗変化率の差を比較してもよい。第１の圧力条件Ｐ１（または流量条件Ｖ１）と、第２の圧力条件Ｐ２（または流量条件Ｖ２）の差ΔＰ（またはΔＶ）と、正常時の抵抗変化率の差に基づく所定値（判定閾値）を、予め設定しておくことで、異常判断が容易にできる。
【００４８】
排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段は、排出ガスの流量または圧力を、直接または間接的に検出できるものであればよい。例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流に排気流量計や圧力センサを設置して、直接、流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段とする他、一般に、エンジンＥ／Ｇに吸入される新気量は排気流量と相関があるので、エアフロメータＡＦＭを排気流量検出手段として利用することができる。また、差圧センサＳＰに代えて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側にそれぞれ圧力センサを有する構成であれば、上流側の圧力センサを、排気圧力検出手段として利用することができる。
【００４９】
次に、図１のフローチャートに基づいて、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵが備える判定手段の一例を説明する。本実施形態は、排出ガスの流量が異なる第１の流量条件Ｖ１と第２の流量条件Ｖ２において、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。図１において、異常検出を開始すると、ステップＳ１００では、まず各種センサからのデータ取込を行い、排出ガス温度Ｔ１として、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の温度センサＳＴ２出力を取り込む。また、図示しない水温センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの冷却水温Ｔｗを、エンジン回転数センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥを取り込み、アクセル開度センサ等の出力に基づき燃料噴射量Ｑを求める。さらに、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量（ＤＰＦ前流量Ｖ０）として、エアフロメータＡＦＭ出力を取り込む。
【００５０】
本実施形態では、第１の流量条件Ｖ１は、異常検出開始時の排気流量であり、成り行きで決定される。ここでは、ステップＳ１００にて取り込んだエアフロメータＡＦＭによる吸入空気量（質量流量）を、ＤＰＦ前流量Ｖ０（成行）とする。ステップＳ１１０では、この成行ＤＰＦ前流量Ｖ０を、第１の流量条件である検出ＤＰＦ前流量Ｖ１に設定する。
【００５１】
ステップＳ１２０では、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１（第１の流量条件）におけるＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ１（第１の出力値変化）を計測する。この時、一定時間経過後の検出部１００の抵抗変化率は、検出電極１１、１２間に付着した微粒子状物質ＰＭの変化率（付着面積および付着厚さ）に比例し、また、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常がある場合には、前述した図６に示したように、検出される抵抗変化率ΔＲ１は正常時よりも大きくなる。
【００５２】
次に、ステップＳ１３０では、第２の流量条件Ｖ２を設定するための変化流量差ΔＶを決定する。ここで決定される変化流量差ΔＶは、ＤＰＦ破損等の異常があった場合に、正常時に対して明らかな差異が検出できる流量差とする。具体的には、狙い流量として、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１に対して、少なくとも２０％以上の流量増加、好適には５０％以上の流量増加となるように、図６に示した関係から、予め所定の変化流量差ΔＶを設定しておくことができる。流量が最低でも２０％増加すれば、正常時との比較により異常判定が可能であり、変化流量差ΔＶが大きいほど異常判定は容易になるが、成り行きによる流量変化で計測可能な第２の流量条件に達する確率が低くなる。変化流量差ΔＶを、ステップＳ１１０で取り込んだ各種データから知られる運転状態に応じて、設定するようにすることもできる。
【００５３】
ステップＳ１４０では、第２の流量条件となるまで待機する。まず、再度エアフロメータＡＦＭ出力から成行ＤＰＦ前流量Ｖ２を算出し、[成行ＤＰＦ前流量Ｖ２−成行ＤＰＦ前流量Ｖ１]の絶対値が、所定の変化流量差ΔＶ以上となったか否かを判定する。肯定判定されたら、ステップＳ１５０へ進み、否定判定されたら肯定判定されるまで本ステップを繰り返す。運転条件の変化、例えば加速または減速運転により、排気流量は比較的容易に変化するので、予め変化流量差ΔＶを適切な値に設定しておくことで、第２の流量条件（成行ＤＰＦ前流量Ｖ２＝成行ＤＰＦ前流量Ｖ１±ΔＶ）とすることができる。
【００５４】
ステップＳ１５０では、成行ＤＰＦ前流量Ｖ２（第２の流量条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２（第２の出力値変化）を計測する。ＤＰＦに何らかの異常がある場合、ＰＭセンサ１の検出出力の時間変化が大きくなるだけでなく、第１、第２の流量条件における抵抗変化率の差が大きくなる。そこで、続くステップ１６０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較して、異常判定を行う。ここでは、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）を算出し、単位流量当たりの差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）／（ΔＶ１−ΔＶ２）が予め設定した所定値を超えたか否かを判定する。所定値は、例えば図６に示される関係に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが正常に作動している場合の値よりも十分大きく、何らかの異常があると判断できる値以上であればよい。あるいは軽微な破損や性能低下または溶損といった異常の種類に対応する複数の値を予め実験等によって設定しておくこともできる。
【００５５】
ステップ１６０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ１６０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００５６】
以上のように、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量が異なる２つの流量条件を成り行きで設定し、変化流量差ΔＶの第１の流量条件と第２の流量条件での抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易に検出することができる。したがって、電気抵抗式のＰＭセンサを用いた比較的簡易な構成で、大量のマップや温度補正を不要として、かつ精度よい判定が可能である。
【００５７】
次に、図７のフローチャートに基づいて、本発明の第２実施形態における異常検出部の判定手段を説明する。本実施形態は、異常診断開始時に、第１の流量条件Ｖ１を成り行きで決定した後、定めた所定期間内に第２の流量条件Ｖ２とならなかった時に、強制的に第２の流量条件Ｖ２として、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。図７のステップＳ２００〜Ｓ２２０は、図１のステップＳ１００〜Ｓ１２０とほぼ同様であり、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵは、まずステップＳ２００で、冷却水温Ｔｗ、排出ガス温度Ｔ１、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥ、燃料噴射量Ｑ等の各種データ取込を行い、エアフロメータＡＦＭ出力からＤＰＦ前流量Ｖ０（成行）を算出する。また、ＰＭセンサ１出力として検出電極１１、１２間の抵抗Ｒ０を計測する。
【００５８】
ステップＳ２１０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の流量を、第１の流量条件に設定する。ここでは、ステップＳ２００で取り込んだ成行ＤＰＦ前流量Ｖ０を、第１の流量条件である検出ＤＰＦ前流量Ｖ１とする（検出ＤＰＦ前流量Ｖ１＝成行ＤＰＦ前流量Ｖ０）。ステップＳ２２０では、再度ＰＭセンサ１出力を取り込み、ステップＳ２００で取り込んだＰＭセンサ１出力Ｒ０から、検出出力の時間変化ΔＲ１を算出して、メモリに記憶させる。
【００５９】
ステップＳ２３０では、第２の流量条件Ｖ２を設定するための変化流量差ΔＶを決定する。狙い流量としては、最低２０％以上増加、好ましくは５０％以上増加とする。また、成り行きで第２の流量条件Ｖ２となるまで待機する最大待機時間timeMaxを設定する。ここで、最大待機時間timeMaxは、異常検出開始時に定めた所定期間は、ステップＳ２１０で計測したＰＭセンサ１出力Ｒ０と、ＰＭセンサ１に許容量最大に微粒子状物質ＰＭを堆積させたときの出力とを比較して、例えば許容量の８０％程度に到達すると予想される時間、またはモード走行時間（２０分）に３回程度、故障診断ができるような所定時間とする。
【００６０】
ステップＳ２４０では、タイマーをスタートさせ、タイマーの計測値を待機時間ｔ１とする。続くステップＳ２５０では、タイマーで計測された待機時間ｔ１が最大待機時間timeMax未満か否かを判定し、肯定判定された場合はステップＳ２６０へ進む。ステップＳ２６０で・BR>ヘ、再度エアフロメータＡＦＭ出力から成行ＤＰＦ前流量Ｖ２を算出し、[成行ＤＰＦ前流量Ｖ２−成行ＤＰＦ前流量Ｖ１]の絶対値が、所定の変化流量差ΔＶ以上になったか否かを判定する。ステップＳ２６０が否定判定されたら、待機を継続するためにステップＳ２５０に戻り、肯定判定されるまでステップＳ２５０、Ｓ２６０を繰り返す。ステップＳ２６０が肯定判定されたら、ステップＳ２８０へ進む。
【００６１】
ステップＳ２６０が否定判定された後、戻ったステップＳ２５０が否定判定された場合は、待機時間ｔ１が最大待機時間timeMaxに達しているので、待機を終了し、強制的に第２の流量条件Ｖ２とするために、ステップＳ２７０へ進む。ステップＳ２７０では、狙い流量である［成行ＤＰＦ前流量Ｖ１＋ΔＶ］とするために、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量をΔＶ増量する操作を行う。次に、強制的に流量を変えるための方法について述べる。
【００６２】
ここで、強制的に流量を変えるための流量調整手段としては、吸気スロットルＶＴＨ（吸気量）、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ（ＥＧＲ還流量）、ターボ過給装置ＴＲＢ（過給量）がある。これらのうち少なくとも１つあるいは複数を調整することにより、排気流量を増加させることができる。この時、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１またはステップＳ２１０で取り込んだデータにより知られる運転状態に応じて、流量調整手段を選択すると、効率よく所望の排気流量とすることができる。その一例として、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が、アイドル運転領域に相当する流量である場合、例えば吸気量５ｇ/ｓの時には、吸気スロットルＶＴＨによる吸気量の５０％以上の増量が容易であるので、狙い流量（第２の流量条件）となる吸気例として７．５ｇ/ｓ〜１０ｇ/ｓとし、燃料噴射量Ｑ一定のまま、吸気スロットルＶＴＨ開度をより開き側として、新気を導入する。その時にトルク変動を最小にするため、予め取り込んでおいたマップなどにより、着火時期がほぼ同じになるように噴射時期を遅角またはＥＧＲ弁ＶＥＧＲによるＥＧＲ還流量を増加させる。これによりトルク変動最小で強制的にＤＰＦ前の排気流量を増加できる。
【００６３】
次に、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が通常運転領域に相当する流量である場合、例えば吸気量が１０〜３０ｇ/ｓの範囲においても、アイドル運転領域での強制的流量増加手法を適用可能であり、同様に５０％以上の増量となるように吸気スロットルＶＴＨ開度を調整すればよい。加えて、図１のような過給装置付きディーゼルエンジンＥ／Ｇでは、ターボ過給装置ＴＲＢも活用することができる。その場合は燃料噴射量Ｑ一定で、ターボ過給装置ＴＲＢと吸気スロットルＶＴＨで新気量を調整し、トルク変動を最小にした状態で、排気流量を増加させるとよい。さらに、検出ＤＰＦ前流量Ｖ１が高速高負荷運転に相当する領域では、通常、吸気スロットルＶＴＨは全開、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲは全閉の状態に制御される。このため、流量調整手段としてはターボ過給装置ＴＲＢを用い、ノズルベーン（ＶＮ）を調整することで、強制的に流量を変化させることができる。
【００６４】
ステップＳ２８０では、成行ＤＰＦ前流量Ｖ２（第２の流量条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２を計測する。そして、続くステップ２９０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較する。本実施形態においても、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）を算出し、単位流量当たりの差分値（ΔＲ１−ΔＲ２）／（ΔＶ１−ΔＶ２）が予め設定した所定値を超えたか否かによって、異常判定を行う。
【００６５】
ステップ２９０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ２９０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量が異なる第１の流量条件と第２の流量条件（変化流量差ΔＶ）を成り行きで設定するだけでなく、所定の最大待機時間timeMaxを越えた場合には、強制的に第１の流量条件から変化流量差ΔＶだけ増量して、第２の流量条件とする。これにより、定常運転状態で流量変化が小さい場合であっても、２つの流量条件における出力変化を検出し、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易かつ確実に検出することができる。
【００６７】
次に、図８のフローチャートに基づいて、本発明の第３実施形態における異常検出部の判定手段を説明する。図９は、本実施形態に基づく異常診断時のＰＭセンサ１の出力検出例である。上記第１、第２実施形態では異常診断を、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気流量で規定したが、本実施形態では圧力で規定し、異常診断開始時に、第１の圧力条件Ｐ１を成り行きで決定した後、昇圧度ΔＰを決定し、第１の圧力条件より圧力を高めた第２の圧力条件Ｐ２として、ＰＭセンサ１の出力値変化を比較する。また、昇圧度ΔＰを決定するに際して、運転状態による微粒子状物質ＰＭの性状を考慮して、昇圧度ΔＰの補正を行う。
【００６８】
図８のステップＳ３００〜Ｓ３２０は、図１のステップＳ１００〜Ｓ１２０とほぼ同様であり、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵは、まずステップＳ３００で、冷却水温Ｔｗ、排出ガス温度Ｔ１、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥ、燃料噴射量Ｑ等の各種データ取込を行う。また、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流に設置した圧力センサからＤＰＦ前圧力Ｐ０（成行）を算出する。
【００６９】
ステップＳ３１０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を、第１の圧力条件に設定する。ここでは、ステップＳ３００で取り込んだ成行ＤＰＦ前圧力Ｐ０を、第１の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１とする（検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１＝成行ＤＰＦ前圧力Ｐ０）。ステップＳ３２０では、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）におけるＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ１（第１の出力値変化）を計測して、メモリに記憶させる。
【００７０】
ステップＳ３３０では、第２の圧力条件を設定するための昇圧度ΔＰを決定する。上記第１、第２実施形態のように、成り行きで圧力が所定の変化圧力差となるまで待機することもできるが、本実施形態では待機せずに強制的に圧力を第２の圧力条件まで変化させる例としている。昇圧度ΔＰの決定方法は流量の場合と同様であり、上述したように狙い流量で最低２０％以上好ましくは５０％以上増加となるように、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１に応じて昇圧度ΔＰを設定する。さらに、ステップＳ３４０で所定以下の低温または低負荷条件か否かを判定し、肯定判定された場合には、ステップＳ３５０に進んで昇圧度ΔＰを補正する。否定判定された場合には、ステップＳ３６０に進む。
【００７１】
ステップＳ３４０、Ｓ３５０は、運転条件によって微粒子状物質ＰＭに含まれる炭化水素（ＨＣ）分が増減すること、特にエンジン始動直後や低負荷運転時には、炭化水素（ＨＣ）分が多くなるために、微粒子状物質ＰＭがディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに付着しやすくなることに着目したものである。このような運転条件では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに異常が生じても微粒子状物質ＰＭのすり抜け量の変化が生じにくくなる。そこで、ステップＳ３００で取り込んだエンジン冷却水温その他データから運転状態を判断して、昇圧度ΔＰをより高く設定し、異常診断が確実にできるようにする。
【００７２】
ステップＳ３６０では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を、第２の圧力条件に設定する。ここでは第１の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１から、ステップＳ３４０で決定した昇圧度ΔＰ（またはステップＳ３５０で補正した昇圧度ΔＰ）だけ、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の圧力を強制的に変化させる。この時、第２の圧力条件である検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２＝検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１＋昇圧度ΔＰである。
【００７３】
強制的に圧力を変える場合も、前述の流量調整手段と同様に、吸気スロットルＶＴＨ、ＥＧＲ弁ＶＥＧＲ、ターボ過給装置ＴＲＢを圧力調整手段として利用することができる。これらのうち少なくとも１つあるいは複数を調整することにより、圧力を増加させる操作を行って、昇圧度ΔＰに相当する圧力を増加させる。好適には、噴射量Ｑ、新気量一定として、ＥＧＲ量を増加させることで行い、燃料と酸素量の比率を変えないようにして、圧力を高める事が望ましい。
【００７４】
ステップＳ３７０では、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２（第２の圧力条件）において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２を計測する。そして、続くステップ３８０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較する。本実施形態においても、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差分値｜△Ｒ２−△Ｒ１｜を算出し、予め設定した所定値を超えたか否かによって、異常判定を行う。
【００７５】
図９に示すように、ＰＭセンサ１の出力は、成り行きで設定される検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）における出力変化率に対して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流圧力を高めると、出力変化率が大きくなる。ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに破損等がある異常時には、圧力上昇中のセンサ出力変化が正常時に比べて大きくなるため、昇圧度ΔＰとした検出ＤＰＦ前圧力Ｐ２（第２の圧力条件）における出力変化率を、検出ＤＰＦ前圧力Ｐ１（第１の圧力条件）における出力変化率と比較することで、故障が容易に判定できる。
【００７６】
ステップ３８０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ３８０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。
【００７７】
本実施形態のように、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ上流の排気圧力が異なる第１の圧力条件と第２の圧力条件（昇圧度ΔＰ）における出力変化を比較することによっても、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易かつ確実に検出することができる。また、第１の圧力条件から待機せずに第２の圧力条件に昇圧することによって、速やかな異常検出が可能となる。
【００７８】
なお、上記第１、第２の実施形態は、流量を変化させた場合、上記第３の実施形態は、圧力を変化させた場合の例として説明したが、それぞれ流量または圧力に限定されるものではなく、各異常判定のフローチャートは流量または圧力条件を変化させたいずれの場合にも適用できる。
【００７９】
また、本発明で用いるＰＭセンサは、上記実施形態の構成に限らず、一対の検出電極の形状や配置、ヒータ部、カバー体その他各部構成を、適宜変更することもできる。さらに、パティキュレートフィルタの構成や、排気処理システム、燃料噴射システムの各部構成を任意に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタを搭載した自動車への設置が義務付けられる車載式故障診断装置（ＯＢＤ）等の用途に用いられて、環境汚染物質の排出を防止する。また、自動車用ディーゼルエンジンに限らず、システム構成の異なる他のエンジンや、排気通路に排出ガスに含まれる微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備えるシステムのいずれにも好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
ＡＦＭ エアフローメータ（流量／圧力検出手段）
ＴＲＢ 、ターボ過給機（流量／圧力制御手段）
ＴＲＢＣ コンプレッサ
ＴＲＢＴ タービン
ＶＴＨ スロットル弁（流量／圧力制御手段）
ＶＥＧＲ ＥＧＲ弁（流量／圧力制御手段）
ＳＰ 差圧センサ
ＤＰＦ ディーゼルパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
Ｅ／Ｇ ディーゼルエンジン（内燃機関）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
１ ＰＭセンサ（排出微粒子センサ）
１０ ＰＭ検出素子
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ リード部
１３ 絶縁性基板（絶縁性基体）
１４ 絶縁性保護層
２ 排気管（排気通路）
２０ 管壁
３０ ヒータ電極
３１、３２ リード部
３００ ヒータ部
４０ カバー体
４１０、４１１ 孔
５０ ハウジング
６０ インシュレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路において、排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段と、
上記流量／圧力検出手段および上記排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
上記異常検出部は、上記排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態における、上記排出微粒子センサの出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備えることを特徴とするパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項２】
上記異常検出部は、異常検出開始時の運転状態における上記排出ガスの流量または圧力を、第１の流量／圧力条件として、上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定し、次いで、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となる上記第２の流量／圧力条件を設定して、該第２の流量／圧力条件における上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する請求項１記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項３】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果が上記第２の流量／圧力条件になるまで待機し、上記第２の流量／圧力条件となった時に、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定して、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する請求項２記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項４】
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を調整する流量／圧力調整手段を備えており、
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果を監視し、所定期間内に上記第２の流量／圧力条件にならなかった時に、上記流量／圧力調整手段を用いて強制的に上記第２の流量／圧力条件に調整して、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定し、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する請求項２記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項５】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、予め設定した所定値とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項６】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、運転状態に応じて設定する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項７】
上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して、上記検出部を所定温度に加熱するヒータ部とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項１】
内燃機関の排気通路において、排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を検出する流量／圧力検出手段と、
上記流量／圧力検出手段および上記排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
上記異常検出部は、上記排出ガスの流量または圧力が異なる２つの運転状態における、上記排出微粒子センサの出力値変化を比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備えることを特徴とするパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項２】
上記異常検出部は、異常検出開始時の運転状態における上記排出ガスの流量または圧力を、第１の流量／圧力条件として、上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定し、次いで、第１の流量／圧力条件との差が予め設定した流量または圧力となる上記第２の流量／圧力条件を設定して、該第２の流量／圧力条件における上記排出微粒子センサの所定期間における出力値変化を測定する請求項１記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項３】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果が上記第２の流量／圧力条件になるまで待機し、上記第２の流量／圧力条件となった時に、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定して、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する請求項２記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項４】
上記パティキュレートフィルタの上流の排気通路における排出ガスの流量または圧力を調整する流量／圧力調整手段を備えており、
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件において、上記排出微粒子センサの所定期間における第１の出力値変化を測定した後、上記流量／圧力検出手段の検出結果を監視し、所定期間内に上記第２の流量／圧力条件にならなかった時に、上記流量／圧力調整手段を用いて強制的に上記第２の流量／圧力条件に調整して、上記排出微粒子センサの所定期間における第２の出力値変化を測定し、これら第１および第２の出力値変化に基づいて異常を判定する請求項２記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項５】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、予め設定した所定値とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項６】
上記異常検出部は、上記第１の流量／圧力条件における流量または圧力と、上記第２の流量／圧力条件における流量または圧力の差を、運転状態に応じて設定する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【請求項７】
上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して、上記検出部を所定温度に加熱するヒータ部とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５２４５９（Ｐ２０１１−２５２４５９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２７８８５（Ｐ２０１０−１２７８８５）
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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