(57)【要約】【課題】センサの出力信号が水分の影響を受けないタイミングを判定可能な判定装置を提供すること。【解決手段】本開示の一形態は、内燃機関に接続された排気管内に設けられたセンサの出力信号から、排ガス内の粒子状物質に関する実測値を導出する実測値導出部と、前記内燃機関の始動後における前記粒子状物質に関する推定値を、シミュレーションに基づき導出する推定値導出部と、前記実測値および前記推定値から、前記排気管内の水分量を判定する判定部と、を備えた判定装置、に向けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続された排気管内に設けられたセンサの出力信号から、排ガス内の粒子状物質に関する実測値を導出する実測値導出部と、
前記内燃機関の始動後における前記粒子状物質に関する推定値を、シミュレーションに基づき導出する推定値導出部と、
前記実測値および前記推定値から、前記排気管内の水分量を判定する判定部と、を備えた判定装置。
【請求項２】
前記内燃機関の始動時における前記センサ内の粒子量物質に関する初期値を記憶する記憶部を、さらに備え、
前記推定値導出部は、前記シミュレーションによる演算結果と、前記記憶部内の初期値とを加算して前記推定値を導出する、請求項１に記載の判定装置。
【請求項３】
前記推定値導出部は、前記内燃機関の始動から所定時間経過後に、前記シミュレーションによる演算結果と、前記記憶部内の初期値とを加算して前記推定値を導出する、請求項２に記載の判定装置。
【請求項４】
前記推定値導出部は、前記実測値導出部による実測値の微分値が基準値を超えている間、前記シミュレーションによる演算結果に、前記記憶部に記憶された初期値を加算しない、請求項２に記載の判定装置。
【請求項５】
前記判定部は、前記内燃機関の始動から所定期間経過以降に、前記実測値と前記推定値とが実質的に同じになると、前記排気管内から水分が実質的に無くなったと判定する、請求項２に記載の判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関に接続された排気管内の水分量を判定可能な判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、内燃機関に接続された排気管を大気に向けて案内される排ガス中には、粒子状物質が含まれる。この粒子状物質の量を検出するため、排気管内にはセンサが設けられている。
【０００３】
このようなセンサは下記の特許文献１に例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６１５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、周知の通り、内燃機関の始動前、排気管の内周面に水分が付着していることがある。この状態で内燃機関を始動させると、排気管内の水分がセンサに流入し、その結果、センサの出力信号が粒子状物質の量を正確に現さないことがあった。
【０００６】
そこで、本開示は、センサの出力信号が水分の影響を受けないタイミングを判定可能な判定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】
本開示の一形態は、内燃機関に接続された排気管内に設けられたセンサの出力信号から、排ガス内の粒子状物質に関する実測値を導出する実測値導出部と、前記内燃機関の始動後における前記粒子状物質に関する推定値を、シミュレーションに基づき導出する推定値導出部と、前記実測値および前記推定値から、前記排気管内の水分量を判定する判定部と、を備えた判定装置、に向けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、センサの出力信号が水分の影響を受けないタイミングを判定可能な判定装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態に係る判定装置およびその周辺構成を示す図
【図２】図１の判定装置の処理手順を示すメインフロー図
【図３】図２のステップＳ００３の詳細な処理手順を示すフロー図
【図４】ＰＭ実測値とＰＭ推定値の経時変化を示す図
【図５】図２の変形例の処理手順を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、上記図面を参照して、一実施形態に係る判定装置について詳説する。
【００１１】
＜１．定義＞
下表１は、本実施形態で使用される頭字語や略語の意味を示す。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
＜２−１．第一実施形態の構成＞
図１において、車両Ｖには、判定装置１に加え、内燃機関３と、排気系５と、ＰＭセンサ７と、温度センサ９と、が搭載されている。
【００１４】
まず、内燃機関３および排気系５について説明する。
内燃機関３は、例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジンである。内燃機関３では、燃焼室で排ガスが生じる。この排ガスは、排気系５に送り出される。
【００１５】
排気系５は、内燃機関３からの排ガスを大気中（車外）に導く排気管５１を有する。排気管５１の途中には、いくつかの後処理装置５３が配置される。本開示では、後処理装置５３として、ＤＰＦまたはＧＰＦが示される。なお、内燃機関３がディーゼルエンジンの場合、後処理装置５３はＤＰＦであり、内燃機関３がガソリンエンジン（より具体的には直噴エンジン）の場合、後処理装置５３はＧＰＦである。
【００１６】
ＤＰＦ／ＧＰＦは、周知の通り、自身に流入した排ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集する。そのために、ＤＰＦ／ＧＰＦは、例えば、セラミックス製のウォールフロー型担体を備えている。この担体において、セル隔壁には触媒が担持または塗布されることもある。また、ＤＰＦ／ＧＰＦにおいて捕集したＰＭを燃焼させて除去するために、それぞれの上流側に未燃燃料が噴射される。
【００１７】
なお、排気系５には、内燃機関３がディーゼルエンジンであれば、後処理装置５３としては、ＳＣＲ等の排気浄化触媒が配置される。なお、他の後処理装置５３は本実施形態の要部では無いため、その説明を控える。
【００１８】
後処理装置５３で排ガスを処理することで生成される水、窒素、二酸化炭素等は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。
【００１９】
ＰＭセンサ７は、例えば、排気管５１において、ＤＰＦ／ＧＰＦの直ぐ上流側に取り付けられる。なお、ＤＰＦ／ＧＰＦの故障診断を行うのであれば、ＰＭセンサ７は、排気管５１において、ＤＰＦ／ＧＰＦの下流側に取り付けられても良い。
【００２０】
ＰＭセンサ７は、例えば、上述のウォールフロー型の担体に類似の多孔質体を含む。この多孔質体は、例えば、電気絶縁性を有する多孔質セラミックシートの積層体から作製される。
【００２１】
ＰＭセンサ７はさらに、少なくとも一対の電極を含む。各電極は、例えば面状導体からなり、多孔質体において、排ガスの流れ方向の直交方向に離隔させて埋設される。具体的には、電極対は、多孔質体に形成されたセル列を挟んで相対向し、コンデンサを構成する。
【００２２】
ここで、ＰＭ（特に煤成分）は、所定の誘電率を有する。よって、上記電極間のＰＭ堆積量に応じて、コンデンサの静電容量が変化する。ＰＭセンサ７は、例えば、交流電圧が印加されると、静電容量に相関する電気信号（以下、ＰＭ信号という）を生成して、後述の判定装置１に出力する。
【００２３】
ＰＭセンサ７はさらに、少なくとも一個の発熱体を含む。発熱体は、線状導体からなり、多孔質体において一対の電極と略平行に埋設される。発熱体は、ＥＣＭの制御下で供給された電力により発熱して、多孔質体内に堆積するＰＭを燃焼させる。ＰＭを効率的に燃焼させるには、発熱体は、極力幅狭の線状導体からなり、多孔質体内において蛇行していることが望ましい。
【００２４】
温度センサ９は、例えばＮＴＣ／ＰＴＣサーミスタであり、例えば、ＰＭセンサ７の多孔質体に設けられ、周囲温度に相関する電気信号（以下、温度信号という）を判定装置１に出力する。温度センサ９は、多孔質体の周囲温度を判定装置１が周知の手法で推定可能な場合、省略される場合もある。なお、多孔質体の周囲温度は、例えば、他の場所に設けられた温度センサの検出値から十分な正確度で推定可能である。
【００２５】
判定装置１は、例えば、基板上に、マイコン１１および不揮発性メモリ１３に加え、コネクタおよびワーキングメモリ等が実装されたＥＣＭで実現される。なお、図１には、便宜上、マイコン１１および不揮発性メモリ１３のみが示されている。
【００２６】
コネクタには、各センサ７，９が電気的に接続されると共に、周知の測定回路（図示せず）が接続される。測定回路は、周知の手法で、ＰＭセンサ７に設けられた全ての電極対の合成容量（静電容量）を検出して、マイコン１１に出力する。なお、合成容量を測定する手法に関しては、例えば特開２０１１−１６９２０５号公報に記載されている。他にも、周知のＬＣＲメータを用いて静電容量を測定することも出来る。
【００２７】
マイコン１１は、不揮発性メモリ１３等に予め格納されたプログラムを、ワーキングメモリを用いて実行する。
【００２８】
＜２−２．技術的課題の詳細＞
内燃機関３の停止時に排気管５１が冷えて、排気管５１の内周面には水分が付着することがある。この状況で、内燃機関３を始動させると、排気管５１内の水分が水蒸気となって、ＰＭセンサ７に流入する。また、内燃機関３の始動後、燃焼により生成された水が凝縮して排気管５１の内周面に付着することもある。水はＰＭと比較して格段に大きな誘電率を有するので、内燃機関３の始動直後、ＰＭセンサ７における電極間の静電容量は、ＰＭセンサ７の内部に流入した水分の影響で急激に上昇する。即ち、内燃機関３の始動後、ある程度の時間が経過しないと、ＰＭセンサ７の出力信号に基づいてＰＭの量を正しく把握出来ないという課題があった。
【００２９】
また、ＰＭセンサ７やＤＰＦ／ＧＰＦは発熱体を有することがある。もし、内部に水分が付着した状態で、ＰＭセンサ７またはＤＰＦ／ＧＰＦが発熱体により加熱されると、水分の付着部分とそれ以外の部分の温度差に起因する熱膨張率の相違から、ＰＭセンサ７の多孔質体またはＤＰＦ／ＧＰＦの担体にクラックが生じたり、各発熱体や配線が断線したりするおそれがあるという課題もあった。
【００３０】
なお、排気管５１には、ＰＭセンサ７や後処理装置５３以外にも、ＮＯｘセンサが設けられていることもある。このＮＯｘセンサもまた内部に発熱体を有することがある。従って、ＮＯｘセンサにおいても、上記のようなクラックや断線は起こり得る。
【００３１】
上記技術的課題から、内燃機関３の始動後、排気管５１内における水分量を把握することは非常に重要である。そこで、本実施形態では、判定装置１は下記の処理により、排気管５１内の水分量を判定している。
【００３２】
＜２−３．判定装置１の処理＞
次に、図２を参照して、判定装置１の処理を詳説する。
図２において、内燃機関３が始動すると、判定装置１は、周知の実測値導出処理を実施する（ステップＳ００１）。ステップＳ００１の具体的な処理は下記の通りである。
【００３３】
まず、判定装置１の測定回路は、ＰＭセンサ７からＰＭ信号を定期的に取得し、ＰＭセンサ７の各電極対の合成容量（一対の場合は静電容量）を測定して、判定装置１のマイコン１１に出力する。
【００３４】
ステップＳ００１において、マイコン１１は、上記測定回路で測定された静電容量から、排気管５１内の排ガスに含まれるＰＭの実測値を導出する。
【００３５】
また、判定装置１は、例えばステップＳ００１と並行して、周知のＰＭ推定値導出処理を行う（ステップＳ００３）。なお、ステップＳ００３はステップＳ００１の前後に行われても良い。
【００３６】
上記ステップＳ００３は、図３に示すように、ステップＳ１０１，Ｓ１０３およびＳ１０５を含む。
【００３７】
まず、ステップＳ１０１において、マイコン１１は、内燃機関３の始動後、単位時間あたりに内燃機関３から排気管５１へと排出されるＰＭ量を推定し、単位時間あたりの推定値を導出する（ステップＳ１０１）。ＰＭ排出量は、例えば、周知のＳｏｏｔモデルに基づく数値シミュレーションによる演算結果より得られる。
【００３８】
次に、マイコン１１は、ステップＳ１０１で得られた推定値を積算して、内燃機関３の始動後におけるＰＭ排出量の推定値を導出する（ステップＳ１０３）。なお、この推定値は、あくまで内燃機関３の始動後にＰＭセンサ７に堆積したＰＭ量の推定値であり、始動時にＰＭセンサ７に元々堆積しているＰＭ量は加味されていない。
【００３９】
次に、マイコン１１は、内燃機関３の始動後、所定時間を経過したか否かを判断する（ステップＳ１０５）。
【００４０】
後述の通り、本実施形態では、図２のステップＳ００７において、ＰＭ実測値からＰＭ推定値を減算した値が所定値以下となると、排気管５１内の水分が実質的に無くなったと判定される。ここで、ステップＳ００７でＹＥＳと判断される前には、基本的には、排気管５１内の水分の影響でＰＭ実測値はＰＭ推定値よりもはるかに大きいが、内燃機関３の始動直後の過渡的な状況においては、内燃機関３の立ち上がり等の影響で、ＰＭ実測値とＰＭ推定値との差が小さいことが想定される。この過渡的な状況において、ステップＳ００７でＹＥＳと判断しないように、ステップＳ１０５の所定時間が設定される。即ち、この所定時間は、本判定装置１の設計・開発段階における実験やシミュレーション等により、内燃機関３の立ち上がり時間等に基づき定められる。
【００４１】
ステップＳ１０５でＹＥＳであれば、マイコン１１は、記憶部の一例としての不揮発性メモリ１３に記憶された初期値を読み出す（ステップＳ１０７）。この初期値は、本判定装置１の前回の終了処理時（即ち、ステップＳ０１３であり、内燃機関３の前回の停止直前）に不揮発性メモリ１３に保存され、その時得られたＰＭ信号に基づき検出されたＰＭの実測値である。このような初期値は、内燃機関３の今回の始動時におけるＰＭセンサ７内のＰＭの堆積量を表す。
【００４２】
ステップＳ１０７の後、マイコン１１は、ステップＳ１０３で得られた推定値に、ステップＳ１０７で読み出された初期値を加算し、これによって、現時点でＰＭセンサ７の内部に存在するＰＭの推定値を導出する（ステップＳ１０９）。
【００４３】
ステップＳ１０５でＮＯと判断された場合、または、ステップＳ１０９が終了すると、マイコン１１は、図３の処理（即ち、図２のステップＳ００３）を抜けて、図２のステップＳ００５を行う。従って、図３の処理（図２のステップＳ００３）が終了した時点で、マイコン１１は、ステップＳ１０３かＳ１０９で得たＰＭの推定値を保持していることになる。
【００４４】
マイコン１１は、ステップＳ００５において、ステップＳ００１で得たＰＭ実測値からステップＳ００３で得たＰＭ推定値を減算して差分値を得る。
【００４５】
次に、マイコン１１は、ステップＳ００５で得た差分値が所定値以下か否かを判断する（ステップＳ００７）。所定値は、排気管５１内の水分が実質的に無くなったとみなせる値であって、極力ゼロに近い値であることが望ましい。ただし、実際には、本判定装置１の設計・開発時の実験等により、ゼロに対しある程度のマージンを持たせた値に設定される。
【００４６】
ステップＳ００７でＹＥＳと判断すると、マイコン１１は、ＰＭセンサ７を用いたＰＭの実測値の正確度を保証できるとして、排気管５１内に設けられた各構成の発熱体の使用を許可したり、ＰＭ実測値の使用を開始したりする（ステップＳ００９）。
【００４７】
ステップＳ００７でＮＯと判断するか、ステップＳ００９の次に、マイコン１１は、内燃機関３が停止されるか否かを判断する（ステップＳ０１１）。具体的には、ステップＳ０１１では、イグニッションオフにされたか否かが判断される。
【００４８】
ステップＳ０１１でＮＯと判断された場合、または、ステップＳ０１３の次に、マイコン１１は、ステップＳ００１，Ｓ００３を再度行う。
【００４９】
それに対し、ステップＳ０１１でＹＥＳと判断された場合、マイコン１１は、現在のＰＭ実測値を、次回のステップＳ１０７（図３を参照）で読み出すべき初期値として、不揮発性メモリ１３に保存し（ステップＳ０１３）、図２の処理を終了する。
【００５０】
＜２−３．主たる作用・効果＞
前述の通り、内燃機関３を始動後、ＰＭセンサ７内に流入した水分の影響で、ＰＭ信号に基づくＰＭ実測値は、図４の時刻ｔ１以降（即ち、内燃機関３の始動後）に示すように、時間に対し急激に上昇することがある。
【００５１】
その後、排ガス温度の上昇により、排気管５１内部の水分が気化したり、車両Ｖの外部に排出されたりすることで、ＰＭ実測値は下降してくる（図４の時刻ｔ３〜ｔ２）。
【００５２】
上記の通り、ＰＭ実測値は、時刻ｔ１からｔ２の範囲内では、排気管５１内の水分の影響で異常値を示すことがある。そこで、本判定装置１は、内燃機関３の始動後（図４の時刻ｔ１以降）、図２のステップＳ００５において、ステップＳ００１で得たＰＭ実測値からステップＳ００３で得たＰＭ推定値を減算した差分値が所定値以下となったか否かを繰り返し判定する。ステップＳ００５でＹＥＳと判断した時点（図３の時刻ｔ２）で、判定装置１は、ステップＳ００９を行って、排気管５１においてＰＭセンサ５よりも上流部分には水分が実質的に無くなり、ＰＭセンサ７を用いたＰＭの実測値の正確度を保証できるとして、排気管５１内の各構成の発熱体の使用の開始、および／または、ＰＭ実測値の使用の開始を許可する。これ以降であれば、ＰＭセンサ７等が発熱体により加熱されても、クラックや断線等を起こす事無くＰＭを安全に燃焼させることが可能となる。
【００５３】
このように、本判定装置１によれば、ＰＭセンサ７のＰＭ信号が水分の影響を受けない正確度を有するようになるタイミングを判定することが出来る。
【００５４】
＜２−４．他の作用・効果＞
また、内燃機関３の始動時、ＰＭセンサ７の内部にＰＭが堆積していなければ、判定装置１は、図２のステップＳ００５において、ステップＳ００１で得たＰＭ実測値から、ＰＭセンサ７のＰＭ信号が水分の影響を受けない正確度を有するようになるタイミングを判定することが出来る。
【００５５】
しかし、現実的には、内燃機関３の始動時、ＰＭセンサ７の内部にＰＭが堆積していることが多い。そこで、上記実施形態では、判定装置１は、内燃機関３の前回停止時（図４の時刻ｔ０）におけるＰＭ実測値を不揮発性メモリ１３に保存する（ステップＳ０１３）。
【００５６】
その後、内燃機関３の始動時において、マイコン１１は、ステップＳ１０３で得た推定値に、ステップＳ１０７で得た初期値を加算して、ＰＭセンサ７の内部に存在するＰＭの推定値を導出する（ステップＳ１０９）。これによって、より正確度の高いＰＭ推定値を得ることが出来る。
【００５７】
この時、上記実施形態では、内燃機関３の始動後、所定時間経過後に（図４の時刻ｔ３，ステップＳ１０５でＹＥＳ）、上記ステップＳ１０７が実行される。これにより、内燃機関３の立ち上がり等の過渡的な状況に、タイミングを誤判定することを防止している。
【００５８】
＜２−５．変形例＞
図４にも示したように、ＰＭ実測値は、内燃機関３の始動直後は急激に大きくなっていく。従って、内燃機関３の始動直後の時間帯において、ＰＭ実測値の微分値（単位時間あたりの変化量）は、実験等で求められた基準値を超える。このようなＰＭ実測値の微分値が基準値を超えるような時間帯では、図２のステップＳ００５，Ｓ００７の処理を行うことは好ましくない。
【００５９】
そこで、マイコン１１は、図５に示すように、前述のステップＳ００１，Ｓ００３と、ステップＳ００５との間（より具体的には、前述のステップＳ００１，Ｓ００３の後であって、ステップＳ００５の直前）にステップＳ２０１を実行し、ＰＭ実測値の微分値が上記基準値以下となれば、ステップＳ００５，Ｓ００７を行い、そうでなければ、ステップＳ００５，Ｓ００７をスキップするようにしても良い。
【００６０】
＜２−７．付記＞
上記実施形態および変形例の説明では、図２等の処理は、ＰＭ実測値およびＰＭ推定値に基づき実行されていた。しかし、これに限らず、図２等の処理は、これに限らず、ＰＭセンサ７からの、ＰＭ堆積量に関する静電容量に相関する電気信号（即ち、ＰＭ信号という）に基づいて実行されても構わない。この場合、ステップＳ００３では、ＰＭ堆積量に関する静電容量の推定値が導出される。
【００６１】
さらに、ＰＭ信号が示す静電容量は、ＰＭセンサ７の内部温度や周囲温度により変動する。したがって、静電容量の推定値は、温度センサ９の温度信号に基づき温度補償されることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示の判定装置は、センサの出力信号が水分の影響を受けないタイミングを判定可能であり、車載用途等に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１  判定装置
１１  マイコン
１３  不揮発性メモリ（記憶部）
３  内燃機関
５  排気系
７  ＰＭセンサ
【図１】
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【図２】
2018109379.tif 000005
【図３】
2018109379.tif 000006
【図４】
2018109379.tif 000007
【図５】
2018109379.tif 000008