(57)【要約】【課題】フィルターの故障診断を容易に行うことができる排気浄化装置および内燃機関を提供すること。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、排気ガスが昇温されることで、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、フィルターよりも排気下流側に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質をリアルタイムで検出可能なＰＭセンサーと、ＰＭセンサーの検出結果に基づいて、フィルターにより捕集される粒子状物質の捕集効率を算出する捕集効率算出部と、粒子状物質が捕集されずにフィルターをすり抜けるブローオフの発生から予め定められた期間まで再生が継続された時点の捕集効率に基づいて、フィルターの故障診断を行う故障診断部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、前記排気ガスが昇温されることで、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記フィルターよりも排気下流側に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質をリアルタイムで検出可能なＰＭセンサーと、
前記ＰＭセンサーの検出結果に基づいて、前記フィルターにより捕集される前記粒子状物質の捕集効率を算出する捕集効率算出部と、
前記粒子状物質が捕集されずに前記フィルターをすり抜けるブローオフの発生から予め定められた期間まで再生が継続された時点の前記捕集効率に基づいて、前記フィルターの故障診断を行う故障診断部と、
を備える、排気浄化装置。
【請求項２】
前記故障診断部は、前記再生により昇温される排気ガスの温度が前回までの再生により昇温される排気ガスの温度のうちの最高温度を超えた場合に、前記フィルターの故障診断を行う、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記最高温度は、前記フィルターが交換された場合に再設定される、請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記最高温度は、前記フィルターが洗浄された場合に再設定される、請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記故障診断部は、所定時間の間に前記ブローオフの発生がない場合に、前記故障診断を中止する、請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記所定時間は、予め定められた再生時間に一定時間を加算した時間である、請求項５に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記ブローオフの発生は、前記捕集効率が所定値以下になることにより推定される、請求項１から６のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記予め定められた期間は、予め定められた量の粒子状物質を燃焼するための所要時間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の排気浄化装置を備える、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、排気浄化装置および内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関からの排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集するフィルターとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）が知られている。
【０００３】
ＤＰＦに捕集されたＰＭは、排気ガスが昇温されることにより燃焼される。これにより、ＤＰＦが再生される。
【０００４】
近年、ＰＭに対する規制が厳しくなる傾向にある。例えば、ＰＭの粒子数規制（個／ｋｍ）の導入が検討されている。
【０００５】
ＤＰＦの排気下流側には、ＤＰＦをすり抜けたＰＭを検出するためにＰＭセンサーが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４９３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＤＰＦの再生直後に、ＰＭがＤＰＦで捕集されずにＤＰＦをすり抜けてしまうブローオフを生じることが知られている。
【０００８】
また、ＤＰＦが損傷、クラックした場合にも、ＰＭがＤＰＦをすり抜けてしまう。このため、ＰＭセンサーによりＰＭが検出されても、検出されたＰＭがブローオフによりＤＰＦをすり抜けたものであるか、あるいは、ＤＰＦの損傷等によりＤＰＦをすり抜けたものであるかを判別することは難しい。これにより、ＤＰＦの故障診断が難しい。
【０００９】
また、ＤＰＦに微細な損傷等がある場合に、その損傷等からＰＭが流出する。しかし、損傷等がＰＭの堆積により埋まってしまうため、ＰＭセンサーによるＰＭの検出はできない。これにより、ＤＰＦの故障診断はさらに困難となる。
【００１０】
本開示の目的は、フィルターの故障診断を容易に行うことができる排気浄化装置および内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の排気浄化装置は、
内燃機関からの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、前記排気ガスが昇温されることで、当該捕集した粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記フィルターよりも排気下流側に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質をリアルタイムで検出可能なＰＭセンサーと、
前記ＰＭセンサーの検出結果に基づいて、前記フィルターにより捕集される前記粒子状物質の捕集効率を算出する捕集効率算出部と、
前記粒子状物質が捕集されずに前記フィルターをすり抜けるブローオフの発生から予め定められた期間まで再生が継続された時点の前記捕集効率に基づいて、前記フィルターの故障診断を行う故障診断部と、
を備える。
【００１２】
本開示の内燃機関は、上記排気浄化装置を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、フィルターの故障診断を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の一実施の形態に係る内燃装置の排気系の一例を示す概略構成図
【図２】再生時にＤＰＦに流入する排気ガスの温度の一例を簡易的に表すグラフ
【図３】再生時におけるＤＰＦによるＰＭの捕集効率を簡易的に表すグラフ
【図４】ＤＰＦの故障診断処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
【００１６】
まず、本実施の形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構造について説明する。図１は、実施の形態に係るエンジン１の排気系の一例を示す概略構成図である。
【００１７】
図１に示すように、エンジン１の排気マニホールド１２には排気管２０が連結されている。排気管２０にはエンジン１からの排気ガスが流入する。排気管２０内には、排気上流側から順に酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）３１、温度センサー３６、ＤＰＦ３２およびＰＭセンサー３５が設けられている。
【００１８】
ＤＯＣ３１は、燃料が供給された場合、これを酸化して排気ガスを昇温させる。
【００１９】
ＤＰＦ３２は多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを有している。セルは排気ガスの流れ方向に沿って配置されている。セルの上流側と下流側とは交互に目封止されている。ＤＰＦ３２は、排気ガス中に含まれるＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集する。ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭを燃焼することにより、ＤＰＦ３２が再生される。ＤＰＦ３２の再生は、ＤＰＦ３２よりも上流側のＤＯＣ３１に燃料を供給し、排気ガスをＰＭ燃焼温度Ｔｃ（図２参照）まで昇温することで行われる。
【００２０】
ＰＭセンサー３５は、ＤＰＦ３２を通過した後の排気ガス中に含まれるＰＭをリアルタイムで検出する。具体的に、ＰＭセンサー３５は、素子に付着したＰＭの付着量に応じた検出値を出力する。なお、ＰＭセンサー３５は、ＰＭの付着量が所定値を超えた場合に素子に高電圧の電流を流して、素子に付着したＰＭを燃焼除去しても良い。
【００２１】
温度センサー３６は、ＤＰＦ３２に流入する排気ガスの温度を検出する。
【００２２】
エンジン１の運転制御を電気的な補助装置を用いて行う際に、それらを総合的に制御するＥＣＵ１００が設けられている。
【００２３】
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。ＥＣＵ１００の入力回路には、ＰＭセンサー３５および温度センサー３６が接続されている。
【００２４】
ＥＣＵ１００は、図１に示すように、捕集効率算出部１０１、故障診断部１０２および記憶部１０３を有する。
【００２５】
図２は、再生時にＤＰＦ３２に流入する排気ガスの温度の一例を簡易的に表したグラフである。図２に再生開始時ｔａから上昇し、所定時間経過時ｔｂにＰＭ燃焼温度Ｔｃに達する排気ガスの温度を示す。
【００２６】
ＥＣＵ１００は、再生時にＤＰＦ３２に流入する排気ガスの温度（温度センサー３６の検出結果）と前回までの再生時にＤＰＦ３２に流入する排気ガスの温度のうちの最高温度とを比較し、高い方の温度を最高温度として記憶部１０３に記憶させる。ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ３２が交換された場合に高温度を初期値に再設定する。また、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ３２が洗浄された場合に最高温度を初期値に再設定する。
【００２７】
記憶部１０３は、エンジン１の運転状態とＰＭの排出量との予め定められた関係を示すＰＭ排出量マップを記憶する。エンジン１の運転状態には、例えばエンジン回転数、燃料噴射量が含まれる。ＰＭ排出量マップは、例えばシミュレーション又は実験結果に基づいて作成される。
【００２８】
捕集効率算出部１０１は、エンジン１の運転状態に基づいて、上述のＰＭ排出量マップを参照してＰＭの排出量を算出する。なお、ＰＭの排出量がＤＰＦ３２に流入する排気ガス中のＰＭの流入量に対応する。
【００２９】
捕集効率算出部１０１は、算出したＰＭ排出量およびＰＭセンサー３５により検出されたＰＭの付着量に基づいて、ＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率をリアルタイムで算出する。なお、捕集効率（％）とは、ＤＰＦ３２から流出する排気ガス中のＰＭの流出量をＤＰＦ３２へ流入する排気ガス中のＰＭの流入量（ＰＭの排出量）で除算した値を、１から減算した数値で示される。
【００３０】
以下、ＤＰＦ３２の故障診断について図３を参照して説明する。
【００３１】
図３は再生時におけるＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率を表すグラフである。図３に示す実線は正常なＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率η１の一例を表す。また、図３に示す破線は故障したＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率η２の一例を表す。
【００３２】
図３に示すように、正常なＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率η１は再生開始時ｔｃのη１１からη１３に低下する。捕集効率η１の低下は、再生によりＰＭが捕集されずにＤＰＦ３２をすり抜けるブローオフが発生するためである。
【００３３】
一方、故障したＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率η２は再生開始時ｔｃのη２１からη２３に低下する。捕集効率η２の低下は、再生中の熱衝撃などによりＤＰＦ３２に損傷等が発生し、ＰＭが捕集されずにＤＰＦ３２をすり抜けてしまうためである。つまり、捕集効率の低下の原因がブローオフの発生によるものか又はＤＰＦ３２の故障によるものかを正確に判別することは困難である。
【００３４】
次に、ＤＰＦ３２の故障診断について図３を参照して説明する。図３に、予め定められた期間Ｐ、所定値ηｂ、予め定められた閾値ηｔを示す。なお、所定値ηｂは、ブローオフが発生した場合における捕集効率の値である。所定値ηｂは、シミュレーション又は実験結果により求められる。
【００３５】
故障診断部１０２はブローオフの発生から予め定められた期間Ｐまで再生が継続された時点の捕集効率に基づいて故障診断を行う。
【００３６】
故障診断部１０２は、捕集効率に基づいてブローオフの発生を推定する。具体的に、故障診断部１０２は捕集効率が所定値ηｂ以下になった場合にブローオフの発生を推定する。
【００３７】
ＤＰＦ３２に堆積したＰＭの一部が再生により除去されると、ＤＰＦ３２を排気ガスが通過し始めてブローオフが発生する。残りのＰＭは堆積している。ブローオフの発生から予め定められた期間Ｐまで再生が継続されることで、残りのＰＭの予め定められた量が焼き飛ばされる。予め定められた期間Ｐは、予め定められた量のＰＭを燃焼するための所要時間であって、余裕を持って長めに設定される。期間Ｐは、シミュレーション又は実験結果により求められる。ＤＰＦ３２に堆積した全体のＰＭが焼き飛ばされることにより、ＤＰＦ３２における微細な損傷等がＰＭの堆積により埋まってしまうことがなく、ＰＭは損傷等をすり抜ける。このため、損傷等のあるＤＰＦ３２における捕集効率は、損傷等のないＤＰＦ３２における捕集効率より低くなる。
【００３８】
故障診断部１０２は、具体的に、捕集効率が閾値ηｔ未満になった場合に、ＤＰＦ３２を故障であると判定する。閾値ηｔは、損傷等のある異常なＤＰＦ３２における捕集効率と損傷等のない正常なＤＰＦ３２における捕集効率との間の中間値であって、シミュレーション又は実験結果により求められる。
【００３９】
例えば、図３に示すように、正常なＤＰＦ３２の捕集効率η１が捕集効率ηｂ以下となった時ｔｄから予め定められた期間Ｐの経過時ｔｅにおける捕集効率はη１３である。故障診断部１０２は、経過時ｔｅの捕集効率η１３が閾値ηｔ以上であることにより、正常なＤＰＦ３２を正常であると判定する。
【００４０】
一方、図３に示すように、異常なＤＰＦ３２の捕集効率η２が捕集効率ηｂ以下となった時ｔｄ’から予め定められた期間Ｐの経過時ｔｅ’における捕集効率はη２３である。故障診断部１０２は、経過時ｔｅ’の捕集効率η２３が閾値ηｔ未満であることにより、異常なＤＰＦ３２を異常であると判定する。
【００４１】
以上により、ブローオフの発生から予め定められた期間Ｐまで再生を継続することで、ＤＰＦ３２に堆積した全体のＰＭを焼き飛ばす。これにより、故障診断部１０２は、ＤＰＦ３２の故障診断を容易に行うことができる。
【００４２】
ＤＰＦ３２に堆積した全体のＰＭを焼き飛ばすのは、故障診断以外で行うと、燃料の無駄な消費につながる。
【００４３】
本実施の形態において、故障診断部１０２は、再生により昇温される排気ガスの温度が前回までの再生により昇温される排気ガスの温度のうちの最高温度を超えた場合に、ＤＰＦ３２の故障診断を行う。なお、排気ガスの温度が最高温度以下の場合に故障診断を行わないのは、ＤＰＦ３２の故障が排気ガスの温度が最高温度を超える場合に多く見られるという理由もある。
【００４４】
また、ＤＰＦ３２を長期間使用すると、アッシュの堆積によりブローオフの発生に至らない場合がある。ブローオフの発生に至らない場合に、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭを焼き飛ばすことができないため、ＤＰＦ３２の故障診断を正確に行うことができない。
【００４５】
本実施の形態において、ＥＣＵ１００は、所定時間の間にブローオフの発生がない場合に、ＤＰＦ３２の本発明の方式での故障診断を中止する。所定時間は、予め定められた再生時間に一定時間を加算した時間である。一定時間は、シミュレーション又は実験結果により求められる。
【００４６】
＜ＤＰＦ３２の故障診断処理＞
次に、ＤＰＦ３２の故障診断処理の一例について図４を参照して説明する。ＤＰＦ３２の故障診断処理は、ＤＰＦ３２の再生開始で開始される。以下、捕集効率算出部１０１および故障診断部１０２をＥＣＵ１００として説明する。
【００４７】
ステップＳ１００において、ＥＣＵ１００はエンジン１の運転状態に基づいて、ＰＭ排出量マップを参照してＰＭの排出量を算出する。
【００４８】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１００は、ＰＭセンサー３５からＰＭの付着量（検出値）を取得する。
ステップＳ１２０において、ＥＣＵ１００は、所定時間の間にブローオフの発生があるか否かを判定する。所定時間の間にブローオフの発生がある場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に移る。
【００４９】
ステップＳ１３０において、ＥＣＵ１００は、ブローオフの発生から予め定められた期間まで再生が継続されたか否かを判断する。
【００５０】
再生が継続された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、ＰＭの排出量（ＤＰＦ３２に流入する排気ガス中のＰＭの流入量）およびＰＭセンサー上の付着量に基づいてＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率を算出する（ステップＳ１４０）。再生が継続されない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、処理はステップＳ１３０に戻る。
【００５１】
ステップＳ１５０において、ＥＣＵ１００は、ＤＰＦ３２の故障診断を行う。その後、処理は終了する。
【００５２】
所定時間の間にブローオフの発生がない場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理は終了する。
【００５３】
＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態に係る排気浄化装置によれば、ＰＭセンサー３５の検出結果に基づいて、ＤＰＦ３２により捕集されるＰＭの捕集効率を算出する捕集効率算出部１０１と、ＰＭが捕集されずにＤＰＦ３２をすり抜けるブローオフの発生から予め定められた期間Ｐまで再生が継続された時点の捕集効率に基づいて、ＤＰＦ３２の故障診断を行う故障診断部１０２と、を備える。ブローオフ発生から再生が継続されることにより、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭが焼き飛ばされ、損傷等がＰＭの堆積により詰まらない。このため、正常なＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率は閾値未満にならず、故障した異常なＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率は閾値未満となるため、ＤＰＦ３２の故障診断を容易に行うことができる。
【００５４】
また、本実施の形態に係る排気浄化装置によれば、再生により昇温される排気ガスの温度が前回までの再生により昇温される排気ガスの温度のうちの最高温度を超える場合に、ＤＰＦ３２の故障診断が行われ、最高温度を超えない場合に、ＤＰＦ３２の故障診断が行われない。これにより、故障診断以外では、ブローオフ発生後に再生を継続する必要がないため、燃料の無駄な消費を抑えることができる。
【００５５】
また、最高温度はフィルターが交換された場合に再設定される。また、最高温度はフィルターが洗浄された場合に再設定される。これにより、ＤＰＦ３２の故障診断を実施する機会を逃さないことができる。
【００５６】
なお、上記の実施の形態において、捕集効率算出部１０１は、算出したＰＭ排出量およびＰＭセンサー３５により検出されたＰＭの付着量に基づいて、ＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率を算出する。本発明はこれに限らず、ＤＰＦ３２の排気上流側にＤＰＦ３２に流入するＰＭの流入量を検出する検出部（ＰＭセンサー）が設けられてもよい。これにより、捕集効率算出部１０１は、検出部により検出されたＰＭの流入量およびＰＭセンサー３５により検出された付着量に基づいてＤＰＦ３２によるＰＭの捕集効率を算出する。
【００５７】
また、上記実施の形態では、ＤＰＦ３２を再生する技術について説明したが、本発明はこれに限らず、ＧＰＦ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒ）を再生する技術にも適用することができる。
【００５８】
また、上記実施の形態では、予め定められた期間Ｐ（図３参照）を、ＤＰＦ３２に堆積した予め定められた量のＰＭを燃焼するための所要時間としたが、本発明はこれに限らない。例えば、期間Ｐは、ＤＰＦ３２の排気上流側圧力と排気下流側圧力との差に基づいて、シミュレーション又は実験結果より求められる時間であってもよい。また、温度センサーをＤＰＦの下流に設けて最高温度が更新された場合にＤＰＦの故障診断を実施するようにしても良い
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本開示の排気浄化装置は、フィルターの故障診断を容易に行うことが要求されるエンジンを搭載した車両として有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１  エンジン
２０  排気管
３１  ＤＯＣ
３２  ＤＰＦ
３５  ＰＭセンサー
３６  温度センサー
１００  ＥＣＵ
１０１  捕集効率算出部
１０２  故障診断部
１０３  記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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