(57)【要約】    【課題】  比較的簡易な構成により、ＤＰＦの故障、特に微少漏れを正確に検知し得る排気浄化装置を提供する。    【解決手段】  エンジン１が停止しているときに、２次空気ポンプ１４を作動させて、ＤＰＦ１３に微少流量の空気を送る（Ｓ１０４）。このときＤＰＦ１３の上流側圧力ＰＥＵＰと下流側圧力ＰＥＤＯＷＮとの差圧ＤＰＤＰＦを計測し（Ｓ１０５）、その差圧ＤＰＤＰＦを補正することにより、スートやスートの燃焼により生成されるアッシュの影響を除いた基準状態の差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦを算出する（Ｓ１０６）。基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦに応じて、ＤＰＦ１３の捕集率ＣＥを算出し（Ｓ１０７）、捕集率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるとき、ＤＰＦ１３が故障していると判定する（Ｓ１０８，Ｓ１０９）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記機関の停止時に前記フィルタ手段に気体を供給する気体供給手段と、
前記供給される気体の流れに対する前記フィルタ手段の抵抗に起因する圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、
前記気体供給手段による気体供給時における前記圧力変化検出手段の出力に基づいて、前記フィルタ手段の故障を検知する故障検知手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記気体供給手段は、過給機または２次空気ポンプにより前記気体の供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気中のパティキュレート（粒子状物質）を捕集するフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル内燃機関の排気系に排気中のパティキュレートを捕集するＤＰＦを設け、パティキュレートの排出量を低減する技術は従来より広く用いられている。このＤＰＦを構成するフィルタエレメントにひび割れや孔あきといった故障が発生すると、ＤＰＦのフィルタ機能が低下し、パティキュレートの排出量が増加する。したがって、このような故障は迅速に検知する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、ＤＰＦの下流側に圧力センサを設け、機関運転中における検出圧力の最大値と最小値との差、すなわち脈動振幅を求め、脈動振幅が規定範囲から外れたとき、故障が発生したと判定する手法が示されている。
【特許文献１】特開２００４−３０８４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に示された手法において監視される排気圧力の脈動振幅は、機関運転状態によって不定期に変動するため、パティキュレートの微少量の漏れ（以下「微少漏れ」という）を検出することは困難である。また、特許文献１に示された手法では、排気圧力の脈動振幅を監視し、解析するために、複雑な演算を必要とする。
【０００５】
一方、ＤＰＦの下流側に漏れ出たパティキュレートを直接検出するパティキュレートセンサを設けることが有効であると考えられるが、そのようなセンサは未だ開発が完了していない状況にある。
【０００６】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、比較的簡易な構成により、ＤＰＦの故障、特に微少漏れを正確に検知し得る排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ手段（１３）を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記機関の停止時に前記フィルタ手段（１３）に気体を供給する気体供給手段（１４，１５）と、前記供給される気体の流れに対する前記フィルタ手段（１３）の抵抗に起因する圧力変化を検出する圧力変化検出手段（２１，２２）と、前記気体供給手段（１４，１５）による気体供給時における前記圧力変化検出手段の出力（ＤＰＤＰＦ）に基づいて、前記フィルタ手段（１３）の故障を検知する故障検知手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記気体供給手段は、過給機（８）または２次空気ポンプ（１４）により前記気体の供給を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、機関停止時にフィルタ手段に気体が供給され、そのとき検出されるフィルタ手段の抵抗に起因する圧力変化に基づいて、フィルタ手段の故障が検知される。フィルタ手段にひび割れまたは孔あきがあり、パティキュレートの漏れが発生しているときは、気体がフィルタ手段を通過する際の抵抗が小さくなるため、上記圧力変化の値は小さくなる。したがって、上記圧力変化の値が、正常値の範囲を下回るときは、フィルタ手段にひび割れまたは孔あきによる故障が発生していると判定することができる。しかも、上記圧力変化の検出は、内燃機関が停止している状態、すなわちピストンが停止している状態で行われるため、排気脈動の影響を受けることが無い。その結果、従来検出が困難であったパティキュレートの微少漏れを、正確に検出することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、過給機または２次空気ポンプにより、フィルタ手段への気体の供給が行われる。このように内燃機関に元々備えられている装置を利用することにより、構成を簡略化することができる。内燃機関が停止しているため、内燃機関の動作に起因する過給機または２次空気ポンプの出力変動はなく、また過給機または２次空気ポンプにより供給される気体の圧力脈動は、ピストンの作動による排気脈動と比較して極めて小さいため、無視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１６が設けられている。燃料噴射弁１６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１６の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。
【００１２】
エンジン１は、吸気管２、排気管４、及び過給機８を備えている。過給機８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９と、コンプレッサ９の駆動を補助的に行う電動アクチュエータ１１とを備える電動アシストターボチャージャである。
【００１３】
タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。電動アクチュエータ１１は、排気の運動エネルギが不十分である場合に過給を行うときに、ＥＣＵ２０から供給される制御信号に応じて作動する。
【００１４】
吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には加圧された空気を冷却するためのインタークーラ５及び吸入空気量を制御するインテークシャッタ（スロットル弁）３が設けられている。インテークシャッタ３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ２０により、開閉制御される。
【００１５】
排気管４のタービン１０の上流側と、吸気管２のインテークシャッタ５の下流側との間には、排気を吸気管２に還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）７が設けられている。ＥＧＲ弁７は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。
【００１６】
排気管４の、タービン１０の下流側には、排気を浄化する触媒コンバータ１２と、ＤＰＦ１３とが上流側からこの順序で設けられている。さらに触媒コンバータ１２の上流側に通路１５を介して空気を供給する２次空気ポンプ１４が設けられている。２次空気ポンプ１４は、バッテリから電力を供給されるモータにより駆動され、その作動はＥＣＵ２０により制御される。２次空気ポンプ１４は、通常は触媒コンバータ１２における未燃燃料の燃焼を促進するときに駆動されるが、本実施形態では後述するようにＤＰＦ１３の故障診断を行う際にも駆動される。
【００１７】
触媒コンバータ１２は、ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤及び酸化、還元を促進するための触媒を内蔵する。ＮＯｘ吸収剤は、エンジン１の燃焼室内の混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い（ＮＯｘが多い）排気リーン状態においては、ＮＯｘを吸収する一方、逆に混合気の空燃比が理論空燃比近傍または理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的低い排気リッチ状態においては、吸収したＮＯｘを放出する特性を有する。
【００１８】
触媒コンバータ１２は、排気リッチ状態においてＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘがＨＣ、ＣＯにより還元されて、窒素ガスとして排出され、またＨＣ、ＣＯは酸化されて水蒸気及び二酸化炭素として排出されるように構成されている。
【００１９】
ＤＰＦ１３は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素（Ｃ）を主成分とするパティキュレートであるスート（ｓｏｏｔ）を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスや金属多孔体が使用される。
【００２０】
ＤＰＦ１３のスート捕集能力の限界、すなわち堆積限界までスートを捕集すると、排気圧力の上昇を引き起こすので、適時スートを燃焼させる再生処理を行う必要がある。この再生処理では、排気の温度をスートの燃焼温度まで上昇させるために、ポスト噴射制御が実行される。ポスト噴射制御においては、燃料噴射弁１６により、圧縮行程における通常噴射だけでなく、その後の爆発行程や排気行程における後噴射（ポスト噴射）が行われる。ポスト噴射により噴射された燃料は、その噴射時期により、エンジン１の燃焼室内で燃焼する場合と、触媒コンバータ１２で燃焼する場合とがある。
【００２１】
ＤＰＦ１３の上流側及び下流側には、上流側圧力ＰＥＵＰ及び下流側圧力ＰＥＤＯＷＮを検出する圧力センサ２１及び２２が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
さらにエンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ、エンジン１の吸入空気量流量を検出する吸入空気流量センサ、エンジン１の冷却水温を検出する冷却水温センサ（いずれも図示せず）などが設けられており、これらのセンサの検出信号が、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン１の回転数は、クランク角度位置センサの出力から算出される。
【００２２】
ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁７などに制御信号を供給する出力回路から構成される。
【００２３】
図２は、ＤＰＦ１３の故障、具体的にはフィルタ壁のひび割れまたは孔あきによるフィルタ機能の低下を診断する処理の手順を示すフローチャートである。この故障診断処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１０１では、ＤＰＦ１３におけるスート堆積量ＧＳＯＯＴを算出する。このスート堆積量ＧＳＯＯＴの算出は、既存の手法、例えばエンジン１の運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）、及びＤＰＦ１３の上流側圧力ＰＥＵＰと下流側圧力ＰＥＤＯＷＮとの差圧ＤＰＤＰＦに応じて、予め記憶されたアルゴリズム及びマップに基づいて一定時間毎に堆積量を算出することにより行われる。
【００２４】
スート堆積量ＧＳＯＯＴが再生制御閾値ＧＰＴＨを超えたときは、堆積したスートを燃焼させる再生制御が実行される。再生制御は上述したようにポスト噴射により、排気温度を上昇させることにより行われる。再生制御によりすべてのスートを燃焼させる完全再生が行われたときは、スート堆積量ＧＳＯＯＴを「０」にリセットする。また堆積したスートの一部を燃焼させる不完全再生が行われたときは、燃焼したスート量ＧＳＣＭＢを減算することにより、スート堆積量ＧＳＯＯＴを更新する。
【００２５】
ステップＳ１０２では、ＤＰＦ１３におけるスートが燃えた後の灰の堆積量であるアッシュ堆積量ＧＡＳＨを算出する。このアッシュ堆積量ＧＡＳＨは、再生制御による完全再生が行われたときに、ステップＳ１０１でスート堆積量ＧＳＯＯＴを算出する手法と同一の手法により算出される。ただし、この場合のアルゴリズム及びマップは、アッシュ堆積量算出用のものを用いる。
【００２６】
ステップＳ１０３では、エンジン１が停止しているか否かを判別し、エンジン１が停止しているときは、２次空気ポンプ１４を作動させて、ＤＰＦ１３へ空気を送る（ステップＳ１０４）。このときの空気流量は、微少流量であることが好ましい。
【００２７】
ＤＰＦ１３の圧力損失の要因として、ＤＰＦ１３内に設けられた通路を通過する際の抵抗（通路抵抗）と、フィルタ壁を通過する際の抵抗（フィルタ抵抗）とがあり、微少流量とすることで、通路抵抗が小さくなって無視できるようになる。その結果、ＤＰＦ１３に生じた僅かなひび割れなどの影響が、ＤＰＦ１３の圧力損失として顕著に表れるようになり、軽微な故障も検出することが可能となる。好ましい空気流量は、ＤＰＦ１３の容量などに依存して変化するが、例えば２．２リットルエンジンの場合、５０［ｋｇ／ｈ］程度とする。
【００２８】
ステップＳ１０５では、空気を送っている状態で、圧力センサ２１，２２により検出される上流側圧力ＰＥＵＰと、下流側圧力ＰＥＤＯＷＮとの差圧ＤＰＤＰＦを計測する。そして、差圧ＤＰＤＰＦを下記式（１）に適用し、基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦを算出する（ステップＳ１０６）。
ＤＰＮＯＲＤＰＦ＝ＤＰＤＰＦ−（ＤＰＡＳＨ＋ＤＰＳＯＯＴ）    （１）
【００２９】
ここで、ＤＰＡＳＨは、ＤＰＦ１３のアッシュ堆積量ＧＡＳＨに対応する圧力損失（以下「アッシュ損失」という）であり、ＤＰＳＯＯＴは、スート堆積量ＧＳＯＯＴに対応する圧力損失（以下「スート損失」という）である。この式（１）により算出される基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦは、ＤＰＦ１３に堆積したアッシュ（灰）及びスートの影響を除いた基準状態での差圧に相当する。
【００３０】
アッシュ損失ＤＰＡＳＨは、アッシュ堆積量ＧＡＳＨに応じて図３（Ａ）に示すＤＰＡＳＨテーブルを検索することにより算出される。またスート損失ＤＰＳＯＯＴは、スート堆積量ＧＳＯＯＴに応じて図３（Ｂ）に示すＤＰＳＯＯＴテーブルを検索することにより算出される。ここで、ＤＰＡＳＨテーブル及びＤＰＳＯＯＴテーブルは、ＤＰＦ１３に供給される空気流量に対応させて、予め実験的に求められ、ＥＣＵ２０の記憶回路に記憶されたものである。
【００３１】
ステップＳ１０７では、ＤＰＦ１３に送る空気の流量ＱＧＡＳ、及びステップＳ１０６で算出された基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦに応じて、ＤＰＦ１３によるパティキュレートの捕集率ＣＥを算出する。図３（Ｃ）は、空気流量ＱＧＡＳと、基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦとの関係を示し、同図の実線は捕集率ＣＥが９９％の場合に対応し、破線は捕集率ＣＥが６０％の場合に対応する。
【００３２】
ＤＰＦ１３に供給する空気流量をＱＧ１とすると、捕集率９９％に相当する差圧及び捕集率６０％の相当する差圧は、それぞれＤＰ９９及びＤＰ６０となる。したがって、ステップＳ１０６で算出された基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦを下記式（２）に適用して補間演算を行うことにより、捕集率ＣＥ（％）が算出される。
【数１】
2006257880.tif 000003
【００３３】
ステップＳ１０８では、捕集率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ（例えば８０％））以下であるか否かを判別する。その結果、捕集率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるときは、ＤＰＦ１３は故障している、すなわちひび割れ又は孔あきによりフィルタ機能が低下していると判定し（ステップＳ１０９）、捕集率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨより大きいときは、ＤＰＦ１３は正常と判定する（ステップＳ１１０）。
【００３４】
以上のように本実施形態では、エンジン１の停止時に２次空気ポンプ１４により、ＤＰＦ１３に微少流量の空気が送られ、この空気の流れに対するＤＰＦ１３の抵抗に起因する差圧ＤＰＤＰＦが検出され、さらにＤＰＦ１３に堆積しているアッシュ及びスートの影響を排除するように差圧ＤＰＤＰＦを補正することにより、基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦが算出される。そして、基準状態差圧ＤＰＮＯＲＤＰＦ及び空気流量ＱＧＡＳに基づいてＤＰＦ１３の捕集率ＣＥが算出され、捕集率ＣＥが判定閾値ＣＥＴＨ以下であるとき、ＤＰＦ１３が故障していると判定される。ここで差圧ＤＰＤＰＦの検出は、エンジン１の停止時に行われるため、排気脈動の影響を受けることが無い。その結果、従来検出が困難であったパティキュレートの微少漏れを、正確に検出することが可能となる。
【００３５】
またエンジン１が停止しているため、エンジン１の作動に起因する、２次空気ポンプ１４の出力変動はなく、また２次空気ポンプ１４により供給される空気の圧力脈動は、ピストンの作動による排気脈動と比較して極めて小さいため、無視することができる。したがって、正確な判定を行うことができる。
【００３６】
本実施形態では、ＤＰＦ１３がフィルタ手段に相当し、２次空気ポンプ１４及び通路１５が気体供給手段に相当し、圧力センサ２１，２２が圧力変化検出手段に相当する。またＥＣＵ２０が、故障検知手段を構成する。具体的には、図２の処理が故障検知手段に相当する。
【００３７】
（変形例）
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、２次空気ポンプ１４及び通路１５によりＤＰＦ１３に空気を送るようにしたが、これに代えて過給機８のコンプレッサ９をアクチュエータ１１により駆動して、ＤＰＦ１３に空気を送るようにしてもよい。多気筒エンジンであれば、エンジン停止時においてもいずれかの気筒の吸排気弁は開弁された状態にあるので、吸気管２から排気管４への空気の流路は確保されるが、必要に応じて排気還流通路６を、コンプレッサ９により送られる空気の流路として利用してもよい。また気体供給手段は、上述した２次空気ポンプ１４あるいは過給機（電動アシストターボチャージャ）８に限るものではなく、電動アシストスーパチャージャ、あるいはエンジンの排気あるいは回転駆動力を用いない電動過給機などにより、構成するようにしてもよい。
【００３８】
また上述した実施形態では、ＤＰＦ１３の上流側圧力ＰＥＵＰと下流側圧力ＰＥＤＯＷＮとの差圧ＤＰＤＰＦを計測したが、ＤＰＦ１３の上流側または下流側の一方における圧力と、基準となる圧力とを比較することにより、故障検知のための圧力変化を検出するようにしてもよい。例えば、上流側圧力ＰＥＵＰを計測し、大気圧ＰＡと比較することにょり、ＤＰＦ１３の圧力損失を検出するようにしてもよい。その場合には、下流側の圧力センサ２２を設ける必要が無くなる。
【００３９】
またエンジン停止時にＤＰＦ１３の送る空気の流量は、一定である必要はなく、２次空気ポンプ１４の出力に周期性を持たせて、空気流量を周期的に変化させるようにしてもよい。この場合、エンジン１は停止しているので、空気流量の変化周期は、エンジン１の動作とは無関係に設定可能である。ＤＰＦ１３にひび割れなどが生じている場合には、ＤＰＦ１３の上流側と下流側とで圧力波形が異なってくるため、上流側圧力ＰＥＵＰと下流側圧力ＰＥＤＯＷＮとの差圧の挙動も正常の場合とは明確に異なるものとなる。したがって、この差異を捉えることにより、ＤＰＦ１３の故障を正確に検出できる。
【００４０】
上述の実施形態では、捕集率ＣＥを算出する演算法として、差圧ＤＰ９９とＤＰ６０の２点をサンプル点とする一次補間（線形補間）を行ったが、サンプル点は３点以上としてもよく、またサンプル点を通る関数は一次関数に限らず２次以上の関数などとして曲線補間を行ってもよく、あるいは補外法によって予め求めておいたサンプル点から捕集率ＣＥを算出するようにしてもよい。
【００４１】
また上述した実施形態では、ＤＰＦ１３に微少流量の空気を送るようにしたが、ＤＰＦ１３に送る気体は空気に限らず、他の気体（例えば二酸化炭素、酸素など）であってもよい。
また本発明の排気浄化装置は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる排気浄化装置を備えた内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示されるＤＰＦの故障診断の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＤＰＦの故障診断に用いられるテーブルを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  内燃機関
４  排気管
１３  ＤＰＦ（フィルタ手段）
１４  ２次空気ポンプ（気体供給手段）
１５  通路（気体供給手段）
２０  電子制御ユニット（故障検知手段）
２１  圧力センサ（圧力変化検出手段）
２２  圧力センサ（圧力変化検出手段）
【図１】
2006257880.tif 000004
【図２】
2006257880.tif 000005
【図３】
2006257880.tif 000006