(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気中の粒子状物質を前記内燃機関の排気通路の途中で捕集するパティキュレートフィルタと、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側に配置されるとともにヒータ加熱によって検出特性が調整される排気ガスセンサと、を備えた排気浄化システムに装備され、前記排気ガスセンサの被水による故障を防止する排気ガスセンサの故障防止装置であって、
前記排気通路を通る前記排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
前記排気通路を通る前記排気の流量を検出する排気流量検出手段と、
前記排気の温度が前記内燃機関の始動後予め設定した閾値温度を超えたことを条件に、前記排気の流量の積算を開始する積算手段と、
前記積算手段による前記積算の積算値が予め設定した判定閾値を超えるまで、前記ヒータ加熱による前記排気ガスセンサの検出特性の調整を禁止する一方、前記積算の積算値が前記判定閾値を超えたとき、前記ヒータ加熱による前記排気ガスセンサの検出特性の調整を許可するヒータ加熱制御手段と、
外気温度に応じて前記閾値温度を可変設定する閾値温度設定手段と、を有し、
前記閾値温度設定手段は、前記外気温度が低いときの前記閾値温度に対して前記外気温度が高いときの前記閾値温度を低い温度に設定するとともに、前記外気温度が第１外気温度未満となる第１の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率を、前記外気温度が第１外気温度以上かつ第２外気温度未満となる第２の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率より小さく設定することを特徴とする排気ガスセンサの故障防止装置。
【請求項２】
前記閾値温度設定手段は、前記外気温度が第２外気温度以上となる第３の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率を、前記第２の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率より小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサの故障防止装置。
【請求項３】
前記閾値温度設定手段は、前記排気の温度が前記閾値温度より低温の処理開始条件温度以上に昇温したことを条件に、前記閾値温度の可変設定を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガスセンサの故障防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスセンサの故障防止装置に関し、特に、車両等に搭載される内燃機関の排気通路上に配置されるヒータ付きの排気ガスセンサの故障防止装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気中の特定の排気成分を検出したり排気の特定の物理量を検出したりする排気ガスセンサが設けられており、その排気ガスセンサとして、ヒータを内蔵するものが多用されている。また、そのような排気ガスセンサがヒータ加熱時に排気管内の凝縮水により被水すると、故障する可能性があるため、凝縮水による被水を防止することで故障を未然に防止する故障防止装置が提案されている。
【０００３】
この種の排気ガスセンサの故障防止装置としては、例えば排気中の空燃比や残留酸素濃度を検出する排気ガスセンサで、内蔵ヒータにより所要の検出精度を発揮する活性化温度に加熱されるものの被水を防止するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この装置では、排気温度、排気流量および外気温度から排気管の管壁温度を推定し、吸気流量と燃料噴射量から得られる空燃比を基に排気の露点温度を算出している。そして、排気流量と露点温度に対する相対的な管壁温度との推移に基づいて排気管内の凝縮水量を推定し、被水割れを防止できる条件でのみ、ヒータ加熱による排気ガスセンサの活性化温度への加熱を許可するようになっている。
【０００５】
また、パティキュレートフィルタの下流側の凝縮水量がセンサ等の機器の性能に影響するため、フィルタ通過ガスの熱エネルギ変化量を基にその凝縮水の発生量に対応する凝縮水発生係数を算出し、凝縮水発生係数が基準値以下か否かにより排気通路内が乾燥状態か否かを判定する故障防止装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
この装置では、所定時間の排気の通過量およびフィルタ温度変化に対応するパティキュレートフィルタの熱エネルギ増加量と、所定時間のフィルタ通過に伴う排気の損失熱エネルギ量と、所定時間のパティキュレートフィルタからの放出熱エネルギ量とに基づき、フィルタを通過する排気の所定時間毎の熱エネルギ変化量を凝縮水発生係数としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２８５６４号公報
【特許文献２】特開２０１４−２３８０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のような従来の排気ガスセンサの故障防止装置にあっては、パティキュレートフィルタが正常か異常かにかかわらず、逐次の凝縮水発生量の推定計算が必要であった。そのため、パティキュレートフィルタの下流側で排気中のＰＭ（粒子状物質）量を計測するＰＭセンサの出力を基に、パティキュレートフィルタにおいて一定量以上の目封じ部の損傷が生じているか否かの故障診断を行うような場合、正常時の計算処理負担が大きくなるという問題があった。すなわち、ＰＭセンサのヒータは、パティキュレートフィルタの故障時にＰＭセンサの検出部に所定量のＰＭが短時間で堆積し、故障の判定がなされた場合に、堆積したＰＭを燃料除去すべく作動する。よって、ヒータの作動頻度は高くない。それにもかかわらず、排気ガスセンサの故障防止のために凝縮水の発生量を監視し続けるのでは、正常時の計算処理負担が大きくなってしまう。
【０００９】
また、上述のような従来の排気ガスセンサの故障防止装置にあっては、車両の運転期間の初期のように、例えば前日の運転停止後に発生した凝縮水が溜まっている場合や、凝縮水を精度良く推定計算できない運転状態にある場合、ＰＭセンサのＰＭ堆積量が短時間のうちに満杯となってパティキュレートフィルタの故障判定がなされたとしても、排気ガスセンサの故障防止のための的確な凝縮水の有無判定が困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述のような従来の課題を解決すべくなされたものであり、運転中の計算処理負担を大きくすることなく、ＰＭセンサ等の排気ガスセンサの故障防止のための的確な凝縮水の有無判定が可能な排気ガスセンサの故障防止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】
【００１１】
本発明に係る排気ガスセンサの故障防止装置は、上記目的達成のため、内燃機関の排気中の粒子状物質を前記内燃機関の排気通路の途中で捕集するパティキュレートフィルタと、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側に配置されるとともにヒータ加熱によって検出特性が調整される排気ガスセンサと、を備えた排気浄化システムに装備され、前記排気ガスセンサの被水による故障を防止する排気ガスセンサの故障防止装置であって、前記排気通路を通る前記排気の温度を検出する排気温度検出手段と、前記排気通路を通る前記排気の流量を検出する排気流量検出手段と、前記排気の温度が前記内燃機関の始動後予め設定した閾値温度を超えたことを条件に、前記排気の流量の積算を開始する積算手段と、前記積算手段による前記積算の積算値が予め設定した判定閾値を超えるまで、前記ヒータ加熱による前記排気ガスセンサの検出特性の調整を禁止する一方、前記積算の積算値が前記判定閾値を超えたとき、前記ヒータ加熱による前記排気ガスセンサの検出特性の調整を許可するヒータ加熱制御手段と、外気温度に応じて前記閾値温度を可変設定する閾値温度設定手段と、を有し、前記閾値温度設定手段は、前記外気温度が低いときの前記閾値温度に対して前記外気温度が高いときの前記閾値温度を低い温度に設定するとともに、前記外気温度が第１外気温度未満となる第１の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率を、前記外気温度が第１外気温度以上かつ第２外気温度未満となる第２の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率より小さく設定することを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記閾値温度設定手段は、前記外気温度が第２外気温度以上となる第３の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率を、前記第２の温度範囲内での前記外気温度の変化に対する前記閾値温度の変化率より小さく設定する構成とすることもできる。
【００１５】
さらに、前記閾値温度設定手段は、前記排気の温度が前記閾値温度より低温の処理開始条件温度以上に昇温したことを条件に、前記閾値温度の可変設定を開始する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、運転中の計算処理負担を大きくすることなく、排気ガスセンサの故障防止のための的確な凝縮水の有無判定が可能な排気ガスセンサの故障防止装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置を備えた内燃機関の排気浄化システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置により被水を防止するＰＭセンサの縦断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置におけるＰＭセンサの動作説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置における凝縮水の蒸発のための加熱期間の積算開始条件となる排気の閾値温度の設定条件を示すグラフで、縦軸はその閾値温度を、横軸は外気温度を表している。
【図５】本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置におけるヒータ作動制御プログラムの概略処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１ないし図５は、本発明の一実施の形態に係る排気ガスセンサの故障防止装置を示しており、図１にその装置を備えた内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示している。
【００２０】
まず、その排気浄化システムの概略構成について説明する。
【００２１】
図１に示す本実施形態の内燃機関の排気浄化システムは、エンジン１０から排気マニホールドおよび排気管１１を通して排出される排気すなわち排出ガスを、排気管１１の途中に配置された排気浄化装置１２によって浄化するものである。
【００２２】
エンジン１０は、車両を走行駆動する内燃機関、例えば多気筒のディーゼルエンジンである。このエンジン１０は、バイオ燃料等の他の燃料を併用するものであってもよいし、電動発電機と協働して車両を走行駆動するハイブリッド駆動式のパワーユニットを構成するものであってもよい。
【００２３】
排気管１１は、その上流端側で排気ターボ過給機１３の排気タービン部１３ｔの出口に接続されており、排気タービン部１３ｔに接続する排気マニホールドを介してエンジン１０に接続されている。そして、排気管１１内に形成される排気通路１１ａが、エンジン１０の複数の排気ポートに連通している。
【００２４】
この排気管１１の上流端側には、排気タービン部１３ｔの出口の下流側に位置する排気ブレーキ１４と、排気ブレーキ１４より下流側に位置する第１の酸化触媒１５と、が設けられている。排気ブレーキ１４は、排気通路１１ａ中を通る排気の流量を絞ることで排気温度を変化させることができ、第１の酸化触媒１５は、排気タービン部１３ｔの出口付近で排気中の未燃の燃料を酸化反応させ、その反応熱により排気を加熱することができる。
【００２５】
排気浄化装置１２は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）方式とＤＰＦ（Diesel Particulate Filter：ディーゼル微粒子捕集）方式と組み合わせた一体型の触媒装置であり、この排気浄化装置１２は、第１の酸化触媒１５より下流側の排気管１１の途中に装着されている。排気浄化装置１２よりさらに下流側の排気管１１には、図外の排気消音装置が装着されている。
【００２６】
また、第１の酸化触媒１５と排気浄化装置１２間の排気管１１には、燃料添加弁１６が装着されている。この燃料添加弁１６は、エンジン１０により駆動される燃料ポンプ１７に対し、添加燃料配管Ｌ１を介して配管接続されている。そして、燃料添加弁１６は、エンジン１０の運転中に燃料ポンプ１７により加圧されて吐出される燃料を、添加燃料配管Ｌ１上のカットオフバルブ１８の開閉状態に応じて排気浄化装置１２の上流側の排気中に噴射するようになっている。燃料ポンプ１７から添加燃料の供給圧力は、添加燃料圧力センサ１９により検出される。
【００２７】
排気浄化装置１２は、排気管１１に接続されつつ第１の酸化触媒１５より下流側の排気通路１１ａの一部を形成するケース２１と、ケース２１内に収納された第２の酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＳＣＲ触媒２４およびアンモニア低減触媒２５と、を有している。
【００２８】
ケース２１は、また、第１の酸化触媒１５より下流側の排気通路１１ａの一部を、略Ｓ字形の２回の折返し形状をなすように形成しており、下流側の排気通路１１ａの折返し前の上流側ケース部分２１ａ内に、第２の酸化触媒２２およびＤＰＦ２３が収納されている。
【００２９】
第２の酸化触媒２２は、ケース２１内に流入する排気中の未燃の燃料を酸化反応させ、その反応熱により排気をその排気中に浮遊する粒子状物質であるＰＭの自燃温度以上に加熱することができる。
【００３０】
ＤＰＦ２３は、格子状に区画された多数のセルが交互に目封じされることで高ＰＭ捕集率を有するウォールフロータイプのパティキュレートフィルタである。このＤＰＦ２３は、コージェライト（Cordierite）等のセラミックからなる多孔質のハニカム構造体で、排気通路１１ａの方向に延びつつ互いに並列するセル内の流路がＤＰＦ２３の上流端側で交互に目封じされ、ＤＰＦ２３の上流端側が目封じされていない流路についてはＤＰＦ２３の下流端側が目封じされている。そして、ＤＰＦ２３の複数の流路のうちＤＰＦ２３の上流端側で開口する上流側の流路とＤＰＦ２３の下流端側で目封じされた下流側の流路とを区画する多孔質のセル壁を透過した排気のみが、上流側の流路から隣接する下流側の流路に流れ、そのときＤＰＦ２３の多孔質のセル壁にＰＭが捕集されるようになっている。
【００３１】
下流側の排気通路１１ａの一部が２回の折返しをなすケース２１内のうち、その２回の折返しをなした後の下流側ケース部分２１ｂ内には、ＳＣＲ触媒２４およびアンモニア低減触媒２５が収納されている。
【００３２】
さらに、上流側ケース部分２１ａと下流側ケース部分２１ｂとの間には、ＤＥＦインジェクタ２６が装着されたミキシングパイプ２１ｃが介装されており、ＤＰＦ２３を通過し集合した排気中にＤＥＦインジェクタ２６から尿素水であるディーゼル排気液ＤＥＦ（Diesel exhaust fluid）が噴射されるようになっている。
【００３３】
このディーゼル排気液ＤＥＦは、ＤＥＦ供給ポンプ２７によってＤＥＦタンク２８から汲み上げられて加圧され、配管Ｌ２を介してＤＥＦインジェクタ２６に供給されるようになっている。ＤＥＦタンク２８には、内部に貯留されたディーゼル排気液ＤＥＦの温度、液面レベルおよび化学的特性に係る品質をチェックするためのＤＥＦセンサ２９が設けられている。
【００３４】
ミキシングパイプ２１ｃ内で排気に混合されるディーゼル排気液ＤＥＦは、高温の排気中でアンモニアと炭酸ガスに分解され、下流側ケース部分２１ｂに入る際に排気通路１１ａが拡張および折返しされることで排気中に分散されるようになっている。
【００３５】
ＳＣＲ触媒２４は、酸素共存下でも選択的にＮＯｘをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒であり、アンモニア（ＮＨ３）と炭酸ガス（ＣＯ２）が分散された排気がＳＣＲ触媒２４内に流入すると、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）がアンモニアにより還元されて窒素（Ｎ２）になるとともに水（Ｈ２Ｏ）が生成され、排気が浄化されるようになっている。
【００３６】
アンモニア低減触媒２５は、余剰のアンモニアを酸化処理して窒素と水にして無害化させることができ、大気中へ排出される排気中にアンモニアが残留することを有効に防止できるものである。
【００３７】
排気浄化装置１２の上流側の排気中への燃料添加とそれによるＤＰＦ２３の再生は、エンジン制御用の電子制御ユニットであるエンジンＥＣＵ３１によって、センサ情報を基に燃料ポンプ１７およびカットオフバルブ１８を制御することにより制御される。また、排気浄化装置１２内へのディーゼル排気液ＤＥＦの供給制御は、脱ＮＯｘ制御用の電子制御ユニットであるＤｅＮＯｘＥＣＵ４１によって、センサ情報を基にＤＥＦインジェクタ２６の開閉およびＤＥＦ供給ポンプ２７の作動を制御することにより制御されるようになっている。
【００３８】
エンジンＥＣＵ３１は、図３に典型例で例示するように、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力インターフェース回路を含むコンピュータ構成のものであり、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、入力インターフェース回路から各種センサ情報や通信情報を取り込み、設定情報や図示しないマップ等を参照しつつ、出力インターフェース回路からエンジン１０の運転制御や排気浄化の制御に必要な指令信号を出力するようになっている。ＤｅＮＯｘＥＣＵ４１も、略同様なコンピュータ構成のもので、エンジンＥＣＵ３１と協働し、排気中の窒素酸化物を除去するための脱ＮＯｘ制御を実行するようになっている。
【００３９】
前述の各種センサ情報を得るために、エンジンＥＣＵ３１には、添加燃料圧力センサ１９と、排気浄化装置１２の上流側ケース部分２１ａに配置された複数の排気温度センサ３２、３３、３４と、ＤＰＦ２３の前後差圧を検出する差圧センサ３５と、第１の酸化触媒１５の上流側の排気温度を検出する排気温度センサ４６とが接続されている。また、エンジンＥＣＵ３１は、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信等により、ＤｅＮＯｘＥＣＵ４１と通信可能になっており、燃料添加によるＤＰＦ２３の再生制御等に必要な他のセンサ情報に加え、後述するフィルタ故障判定およびセンサ故障判定等に必要な他のセンサ情報を取得可能となっている。
【００４０】
ＤｅＮＯｘＥＣＵ４１には、車両の周囲の外気温度、例えば排気浄化装置１２の近傍の外気温度を検出する外気温度センサ４２と、ミキシングパイプ２１ｃの下流側に配置された排気温度センサ３６とが接続されている。また、ＤｅＮＯｘＥＣＵ４１は、ＣＡＮ通信等により、ＤＥＦセンサ２９と、ＤＰＦ２３通過後の排気中のＮＯｘガス濃度を検出する第１ＮＯｘセンサ３７と、アンモニア低減触媒２５通過後の排気中のＮＯｘガス濃度を検出する第２ＮＯｘセンサ３８と、排気浄化装置１２の出口付近でアンモニア低減触媒２５通過後の排気中のＰＭを検出するＰＭセンサ４５（排気ガスセンサ）とから、それぞれの検出値を取り込み可能になっている。
【００４１】
また、ＤＥＦインジェクタ２６およびＤＥＦタンク２８には、エンジン１０の冷却水が循環供給され、ＤＥＦインジェクタ２６の適度の冷却とＤＥＦタンク２８内のディーゼル排気液ＤＥＦの適度の加熱がなされるようになっている。そして、その冷却液の循環量は、ＤｅＮＯｘＥＣＵ４１によりＤＥＦヒータバルブ４３の開度を変化させることで、制御されるようになっている。
【００４２】
図２に示すように、ＰＭセンサ４５は、絶縁基板５１の表面に例えばそれぞれ櫛歯状の一対の検出電極５２、５３を同図中の上下に交互に隣り合うように配置して検出部５４を構成したものであり、一対の検出電極５２、５３は、両検出電極５２、５３の間に所定電圧を印加しつつ両検出電極５２、５３の間の電気抵抗を計測する抵抗計測部６１に配線接続されている。
【００４３】
絶縁基板５１は、絶縁部材５６を介して雄ねじ付きのハウジング５７に支持されており、ハウジング５７は、ケース２１の一部にねじ締結により固定されている。また、ハウジング５７には、絶縁基板５１上の検出部５４を取り囲むカバー５８が装着されており、カバー５８には排気を通す複数の通気穴５８ａが形成されている。
【００４４】
また、図３に示すように、絶縁基板５１中には、検出部５４に捕捉されたＰＭをその自燃温度以上に加熱することができるヒータ５９が設けられており、ヒータ５９はヒータ加熱制御部６２に配線接続されている。このヒータ５９は、検出部５４に捕捉され所定量堆積したＰＭを燃焼させ、検出部５４上に堆積したＰＭを除去するようになっている。
【００４５】
抵抗計測部６１は、エンジンＥＣＵ３１およびＤｅＮＯｘＥＣＵ４１のうちいずれか一方、例えばエンジンＥＣＵ３１の入力インターフェース部に接続されており、ＰＭセンサ４５の一対の検出電極５２、５３の間の電気抵抗値の対応する検出情報が、エンジンＥＣＵ３１に抵抗計測値として取り込まれるようになっている。
【００４６】
また、ヒータ加熱制御部６２は、例えばエンジンＥＣＵ３１の出力インターフェース部に接続されており、エンジンＥＣＵ３１からのヒータ加熱指令に応じてヒータ５９に通電し、検出部５４上に堆積したＰＭを燃焼させるようになっている。
【００４７】
さらに、エンジンＥＣＵ３１は、ヒータ５９を作動させるたびにリセットされ、その後のＰＭセンサ４５によるＰＭ検出期間を計測する計測期間タイマを起動させるようになっており、一対の検出電極５２、５３の間の抵抗計測値が所定値を下回り、ＰＭセンサ４５の検出部５４上に所定量、例えば満杯量（１００％）のＰＭが堆積したと判定されたとき、計測期間タイマのカウント値を予め設定された故障判定閾値と比較することで、ＤＰＦ２３の故障判定を行うようになっている。
【００４８】
すなわち、ＤＰＦ２３の複数の流路の目封じ部に亀裂や溶損等による欠損が比較的広範に生じ、ＤＰＦ２３のＰＭ捕集率が所要値に達しなくなる程に低下した場合、計測期間タイマのカウント値が故障判定閾値に達しない短時間のうちに検出部５４上に満杯量のＰＭが堆積する。一方、ＤＰＦ２３の複数の流路の目封じ部にさほど欠損が生じておらず、ＤＰＦ２３の正常な状態が保持されている場合、計測期間タイマのカウント値が故障判定閾値を大きく超えないと、検出部５４上に満杯量のＰＭが堆積することはない。
【００４９】
そこで、エンジンＥＣＵ３１は、計測期間タイマのカウント値が故障判定閾値に達しないうちに検出部５４上に満杯量のＰＭが堆積するか否かによって、ＤＰＦ２３が複数の流路の目封じ部に欠損が比較的広域に生じた故障状態にあるか正常であるかを判定するようになっている。
【００５０】
本実施形態においては、このように、ＤＰＦ２３とその下流側に配置されるとともにヒータ加熱によって検出特性が調整されるＰＭセンサ４５とを備えた排気浄化システムが構成されている。
【００５１】
そして、本実施形態においては、エンジン１０の排気通路１１ａのうちＤＰＦ２３より下流側に配置されるＰＭセンサ４５の被水時期とヒータ加熱により高温になる期間とが重なることで、ＰＭセンサ４５の被水割れ等の故障が生じることを未然に防止する排気ガスセンサの故障防止装置が、以下のように構成されている。
【００５２】
排気ターボ過給機１３のコンプレッサ部１３ｃより上流側の吸気管７１には、エンジン１０に吸入される空気の流量を検出するエアフローメータ７２が装着されている。
【００５３】
エンジンＥＣＵ３１は、このエアフローメータ７２により検出されるエンジン１０の吸入空気流量と、エンジンＥＣＵ３１により生成されてエンジン１０の内部での燃料噴射量を規定する指示燃料噴射量に燃料密度を掛けた値とに基づいて、排気通路１１ａを通る排気の質量流量を算出するようになっており、エアフローメータ７２と共に排気流量検出手段を構成している。
【００５４】
排気温度センサ３２、３３、３４、３６、４６のいずれか、例えばＤＰＦ２３より下流側の排気温度センサ３６は、排気通路１１ａを通る排気の温度を検出する排気温度検出手段となっている。
【００５５】
エンジンＥＣＵ３１は、また、ＤＰＦ２３より下流側の排気通路１１ａを通る排気の温度がエンジン１０の始動後予め設定した閾値温度Ｔｖを超えたことを条件に、排気流量検出手段としての機能によりエアフローメータ７２の検出流量を基に算出した排気の流量の積算を開始するようになっており、本発明にいう積算手段を構成している。
【００５６】
ここにいう閾値温度Ｔｖは、エンジン１０の始動時等に、ＰＭセンサ４５が配置されるＤＰＦ２３より下流側の排気通路１１ａ内に凝縮水が溜まっていたとしても、排気の温度上昇により、その凝縮水が蒸発する状態となる温度である。
【００５７】
また、閾値温度Ｔｖは、エンジン１０の一定時間以上の燃料カットや惰性運転状態等によって排気温度が大きく低下する場合の排気温度より高い温度として予め設定された処理開始条件の排気温度を超え、かつ、その処理開始条件の排気温度に対して凝縮水の蒸発に要する一定時間（例えば１０分程度）内の通常の運転状態における排気温度変化では、処理開始条件の排気温度を下回らない程度に温度変動幅分の温度の余裕をもって設定されている。
【００５８】
具体的には、閾値温度Ｔｖは、既知の凝縮水量に対し、一定時間内に一定排気温度の排気を所定排気流量だけ流した場合に、その凝縮水が蒸発し切るのに足りる熱量供給が可能な排気温度として、予めの実験により外気温度に応じて設定されている。
【００５９】
より具体的には、ＰＭセンサ４５の設置位置近傍である排気浄化装置１２の出口近傍部またはその近傍に位置する排気管１１に、外部から凝縮水の発生および蒸発を外部からカメラにより監視可能な透明窓部を設けておき、外気温度センサ４２で検出される車両の周囲の環境温度を変化させながら、その予めの実験を行う。
【００６０】
また、長時間（例えば一晩）停止した後にＰＭセンサ４５の設置位置近傍に溜まり得る凝縮水量を別の実験により求めておき、その最大に近い凝縮水量を既知の凝縮水量として、一定時間内に一定排気温度の排気を所定排気流量だけ流した場合に、その凝縮水が蒸発し切るのに足りる排気温度として、外気温度センサ４２で検出される各外気温度に対して閾値温度Ｔｖを設定している。
【００６１】
この閾値温度Ｔｖは、図４に示すように、外気温度が高い場合と低い場合とでは相違する値となり、エンジンＥＣＵ３１のＲＯＭもしくは不揮発性のメモリ内に閾値温度設定マップとして、記憶格納されている。
【００６２】
この図４中に二点鎖線Ｔｉで示す温度は、前述の処理開始条件の排気温度である。
【００６３】
このような閾値温度設定マップを有することで、エンジンＥＣＵ３１は、外気温度に応じて閾値温度Ｔｖを可変設定する閾値温度設定手段としても機能するようになっている。
【００６４】
より具体的には、閾値温度設定手段としてのエンジンＥＣＵ３１は、図４に示すように、外気温度が低いときの閾値温度Ｔｖａに対して、外気温度が高いときの閾値温度Ｔｖｂを低い温度に設定するようになっている。
【００６５】
また、エンジンＥＣＵ３１は、外気温度が第１外気温度Ｔ１未満となる第１の温度範囲Ｚ１内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖａの変化率を、外気温度が第１外気温度Ｔ１以上かつ第２外気温度Ｔ２未満となる第２の温度範囲Ｚ２内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｃの変化率より小さく設定するようになっている。
【００６６】
ここにいう外気温度は、外気温度センサ４２で検出される車両の周囲の外気温度、例えば車両走行時に排気浄化装置１２の近傍を通過し得る外気の温度であり、第１外気温度Ｔ１は、例えば摂氏零度前後の数度程度の温度範囲内の温度である。また、第２の温度範囲Ｚ２は、外気温度の変化により凝縮水の発生量が大きく変化し易い温度域で、エンジン１０の使用燃料や排気管１１の構造によって変化し得る。
【００６７】
エンジンＥＣＵ３１は、さらに、外気温度が第２外気温度Ｔ２以上となる第３の温度範囲Ｚ３内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｂの変化率を、第２の温度範囲Ｚ２内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｃの変化率よりも小さく設定するようになっている。
【００６８】
前述の通り、エンジンＥＣＵ３１の出力インターフェース部に接続されたヒータ加熱制御部６２は、エンジンＥＣＵ３１からのヒータ加熱指令に応じてヒータ５９に通電し、検出部５４上に堆積したＰＭを燃焼させてＰＭセンサ４５の検出特性を調整する。
【００６９】
このヒータ加熱制御部６２に対して、エンジンＥＣＵ３１は、エンジン１０の始動後、積算手段の機能により実行した排気流量積算の積算値が予め設定した蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えるまでは、ヒータ加熱によるＰＭセンサ４５の検出特性の調整を禁止するようになっている。
【００７０】
一方、エンジンＥＣＵ３１は、積算手段の機能により実行した排気流量積算の積算値が蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えたとき、ヒータ加熱制御部６２に対して、ヒータ５９での加熱によるＰＭセンサ４５の検出特性の調整、すなわち、検出部５４上に所定量堆積したＰＭの燃焼除去を許可するようになっている。
【００７１】
このような制御機能により、エンジンＥＣＵ３１は、ヒータ加熱制御部６２と共に、少なくともヒータ５９によるＰＭセンサ４５の検出部５４の加熱の有無を制御する加熱ヒータ加熱制御手段を構成している。
【００７２】
ここにいう蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈは、閾値温度Ｔｖ以上の排気がＰＭセンサ４５付近の排気通路１１ａ内に溜まった凝縮水を蒸発させるに足りる積算流量である。閾値温度Ｔｖが外気温度に応じて可変設定されるので、この閾値Ｑｔｈは、固定値として設定され、エンジンＥＣＵ３１のＲＯＭまたは不揮発性のメモリに記憶格納されている。
【００７３】
さらに、エンジンＥＣＵ３１は、エンジン１０の始動後、排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉを超えると、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否か、さらに、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えた後の排気の積算流量が蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えたか否かを判定するようになっている。
【００７４】
すなわち、閾値温度設定手段としてのエンジンＥＣＵ３１は、排気の温度が閾値温度Ｔｖより低温の処理開始条件の排気温度Ｔｉ以上に昇温したことを条件に、外気温度に応じた閾値温度Ｔｖの可変設定を開始し、積算手段としてのエンジンＥＣＵ３１は、排気の温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉ以上に昇温したことを条件に、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否かの判定を開始する。
【００７５】
そして、エンジンＥＣＵ３１は、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えた後の排気の積算流量が閾値Ｑｔｈを超えると、ＰＭセンサ４５のヒータ５９を作動させてＰＭセンサ４５の検出部５４に堆積したＰＭを燃焼させるようになっている。
【００７６】
エンジンＥＣＵ３１は、このように、エンジン１０の始動後であって今回の車両の運転期間における早い段階で、少なくともＰＭセンサ４５への被水が懸念される排気通路１１ａの特定領域内に溜まった凝縮水が蒸発しきるのを待ってヒータ５９を作動させる。これにより、車両の運転期間における早い段階でＰＭセンサ４５の検出特性が初期状態にリセットされ、その後のＰＭセンサ４５によるＰＭ検出期間を計測する計測期間タイマが起動される。
【００７７】
次に、作用について説明する。
【００７８】
上述のように構成された本実施形態においては、車両のスタートスイッチやイングニッションスイッチが操作され、エンジンＥＣＵ３１およびＤｅＮＯｘＥＣＵ４１等に電源が供給されると、排気温度センサ３２、３３、３４、３６、４６によって排気温度が検出される。そして、いずれかの検出温度、例えばＤＰＦ２３より下流側の排気温度センサ３６により検出される排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉに達すると、エンジンＥＣＵ３１により、図５に示すように、エンジンＥＣＵ３１により、ＰＭセンサ４５のヒータ加熱に先立つ凝縮水の蒸発完了判定処理が実行される。
【００７９】
この処理の開始時には、排気の温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉ以上に昇温しているので、エンジンＥＣＵ３１の閾値温度設定手段としての機能により、外気温度に応じた閾値温度Ｔｖの可変設定の処理が開始される。すなわち、外気温度センサ４２により検出される外気温度を基に、図４に示したような閾値温度設定マップが参照され、外気温度に応じた閾値温度Ｔｖが設定される。また、排気の温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉ以上に昇温したことを条件に、エンジンＥＣＵ３１の積算手段としての機能により、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否かの判定が開始される。
【００８０】
したがって、図５に示す蒸発完了判定処理においては、まず、排気温度センサ３６により検出される排気温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否かが判定され（ステップＳ１１）、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えるまで、この処理が繰り返される（ステップＳ１１でＮＯの場合）。
【００８１】
そして、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えると（ステップＳ１１でＹＥＳの場合）、エンジンＥＣＵ３１の積算手段としての機能により、排気通路１１ａを通る閾値温度Ｔｖを超える排気の質量流量［kg/s］の積算が開始される。すなわち、エンジンＥＣＵ３１の排気流量検出手段としての機能により、エンジン１０の吸入空気流量と指示燃料噴射量に燃料密度を掛けた値とに基づいて、閾値温度Ｔｖを超える排気の質量流量［kg/s］が算出され、その算出結果が出る度に、エンジンＥＣＵ３１の積算排気流量検出手段としての機能により、その質量流量の算出値が順次積算される（ステップＳ１２）。
【００８２】
なお、この積算手段による質量流量の積算処理を実行する間に、何らかの理由で排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉ以下に達した場合には、今回の処理を終了してもよい。質量流量の積算処理を実行する間にエンジン１０が停止した場合、再始動後に最初から凝縮水の蒸発完了判定処理が実行されることはいうまでもない。
【００８３】
上述のような積算手段による質量流量の積算処理が実行されるとき、これと併せて、エンジンＥＣＵ３１のヒータ加熱制御手段の機能により、最新の排気の質量流量の算出値が前回の排気流量の算出値までの積算値に加えられる度に、積算手段の機能により算出した排気流量の積算値が予め設定した蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えたか否かが判定される（ステップＳ１３）。
【００８４】
そして、排気流量の積算値が蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えるまで、この積算値の判定処理が繰り返される（ステップＳ１３でＮＯの場合）。したがって、エンジン１０の始動後、排気流量の積算値が閾値Ｑｔｈを超えるまでは、排気流量の積算処理が繰り返されることで、ＰＭセンサ４５のヒータ５９の加熱が禁止される。
【００８５】
この積算値の判定処理は、排気通路１１ａの少なくともの特定領域内に所定量の凝縮水が溜まった状態でエンジン１０が始動された場合に、閾値温度Ｔｖを超える排気温度の排気が所定排気流量だけ流され、その排気の熱により凝縮水が蒸発し切るのに足りる熱量供給がされたか否かを判定できるものである。
【００８６】
したがって、排気流量の積算値が蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えると（ステップＳ１３でＹＥＳの場合）、ＰＭセンサ４５が凝縮水の被水によって故障するおそれがなくなり、ＰＭセンサ４５のヒータ５９での加熱が可能となる（ステップＳ１４）。
【００８７】
このとき、エンジンＥＣＵ３１からヒータ加熱制御部６２に対してヒータ加熱指令が出され、ヒータ加熱制御部６２によってヒータ５９に通電され、ヒータ５９の発熱により検出部５４上に堆積したＰＭが燃焼除去される。
【００８８】
本実施形態では、このように、エンジンＥＣＵ３１が、エンジン１０の始動後であって今回の車両の運転期間における早い段階で、少なくともＰＭセンサ４５への被水が懸念される排気通路１１ａの特定領域内に溜まった凝縮水が蒸発しきるのを待って、ＰＭセンサ４５のヒータ５９を作動させ、ＰＭセンサ４５の検出特性を初期状態にリセットする。
【００８９】
そして、このエンジンＥＣＵ３１が、その後のＤＰＦ２３の故障診断のために、ＰＭセンサ４５によるＰＭ検出期間を計測する計測期間タイマを起動させる。
【００９０】
ＰＭセンサ４５によるＰＭ検出期間においては、通常、ＤＰＦ２３によって排気中のＰＭが高捕集率で捕集されるので、ＤＰＦ２３が正常であれば、一対の検出電極５２、５３の間にエンジン１０の始動後の短期間のうちに、一対の検出電極５２、５３の間の抵抗計測値が所定値を下回ることはない。
【００９１】
しかし、ＤＰＦ２３の複数の流路の目封じ部に亀裂等が生じることがあり、差圧センサ３５の検出差圧が正常レベルである場合でも、ＰＭセンサ４５の検出部５４に徐々にＰＭが付着し、計測期間タイマのカウント値がＤＰＦ２３の故障判定閾値を大きく超える頃には、ＤＰＦ２３が正常に機能し得る状態でも、一対の検出電極５２、５３の間の抵抗計測値が所定値を下回ることがあり得る。
【００９２】
一方、ＤＰＦ２３の複数の流路の目封じ部に亀裂や溶損等による欠損が比較的広範に生じ、ＤＰＦ２３のＰＭ捕集率が所要値に達しなくなる程に低下するよう異常が発生した場合には、計測期間タイマのカウント値が故障判定閾値に達しない短時間のうちに検出部５４上に満杯量のＰＭが堆積することで、ＤＰＦ２３の故障判定がなされる。
【００９３】
この故障判定がなされると、ＤＰＦ２３の異常が図外の警告ランプ等の報知手段によってドライバに報知されるとともに、ＰＭセンサ４５がヒータ加熱される。
【００９４】
このとき、エンジン１０の始動後早い段階に実行したのと同様に、エンジンＥＣＵ３１により、排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉに達することを条件に、ＰＭセンサ４５のヒータ加熱に先立つ凝縮水の蒸発完了判定処理が実行される。
【００９５】
すなわち、前述のように、まず、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否かが判定され（ステップＳ１１）、排気温度が閾値温度Ｔｖを超えると（ステップＳ１１でＹＥＳの場合）、排気通路１１ａを通る閾値温度Ｔｖを超える排気の質量流量［kg/s］が順次積算される（ステップＳ１２）。そして、排気流量の積算値が蒸発完了判定可能な閾値Ｑｔｈを超えると（ステップＳ１３でＹＥＳの場合）、ＰＭセンサ４５のヒータ５９での加熱が可能となり（ステップＳ１４）、ヒータ５９により検出部５４上に堆積したＰＭが燃焼除去される。なお、質量流量の積算処理中に、燃料カット状態の継続等によって排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉを下回った場合には、ステップＳ１２の途中で今回の処理を終了してもよい。その場合、排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉに再度達したときに、再度、蒸発完了判定処理を最初から実行する。
【００９６】
このように、本実施形態では、ＤＰＦ２３の下流側で排気中のＰＭを捕捉するＰＭセンサ４５の出力やその満杯出力に達するまでの計測時間を基に、ＤＰＦ２３において一定量以上の目封じ部の損傷が生じているか否かの故障診断を行う。したがって、ＰＭセンサ４５のヒータ５９は、ＤＰＦ２３が所要のＰＭ捕集能力を発揮できない故障状態となり、ＰＭセンサ４５の検出部５４に所定量のＰＭがエンジン１０の始動後の短時間内に堆積した場合に、そのＰＭを燃料除去すべく作動する。
【００９７】
よって、ヒータ５９の作動頻度は高くない。それにもかかわらず、ＰＭセンサ４５の故障防止のために凝縮水の発生量を監視し続けるのでは、正常時の計算処理負担が大きくなってしまう。
【００９８】
本実施形態では、エンジン１０の始動後であって今回の車両の運転期間における早い段階で、少なくともＰＭセンサ４５への被水が懸念される排気通路１１ａの特定領域内に溜まった凝縮水が蒸発しきるのを待って、ＰＭセンサ４５のヒータ５９を作動させ、ＰＭセンサ４５の検出特性を初期状態にリセットしている。そして、ＤＰＦ２３の故障診断のために、ＰＭセンサ４５によるＰＭ検出期間を計測する計測期間タイマを起動させ、エンジン１０の始動後の短期間のうちにＰＭセンサ４５に所定量のＰＭが堆積するか否かで、ＤＰＦ２３が正常レベルなＰＭ捕集率を維持し得るか否かの故障判定を実行し、故障時にも、凝縮水が蒸発しきるのを待って、ＰＭセンサ４５のヒータ５９を作動させている。
【００９９】
したがって、ＤＰＦ２３の被水による故障防止のためにエンジンＥＣＵ３１の通常の計算処理負担が大きくなることがない。
【０１００】
また、本実施形態では、エンジン１０の始動後にＰＭセンサ４５のヒータ作動の可否を判定するに際して、閾値温度Ｔｖを超える排気の流量の積算値が予め蒸発判定可能な閾値Ｑｔｈを超えるまで、ＰＭセンサ４５のヒータ加熱を禁止する一方、その積算値が閾値Ｑｔｈを超えたとき、ＰＭセンサ４５のヒータ加熱を許可する。
【０１０１】
したがって、エンジン１０が冷間始動される車両の運転期間の初期のように、前日の運転停止後に発生した凝縮水が溜まっている場合や、凝縮水を精度良く推定計算できない運転状態にある場合でも、ＰＭセンサ４５のＰＭ堆積量が短時間のうちに満杯となってＤＰＦ２３の故障判定がなされると、ＰＭセンサ４５の故障防止のための的確な凝縮水の蒸発判定が可能であり、ＰＭセンサ４５の被水による故障を未然に確実に防止することができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態では、外気温度に応じて閾値温度Ｔｖを可変設定し、外気温度が低いときの閾値温度Ｔｖａに対して外気温度が高いときの閾値温度Ｔｖｂを低い温度に設定しているので、ＰＭセンサ４５の故障防止のための凝縮水の蒸発判定をより的確に行うことができる。
【０１０３】
加えて、本実施形態では、外気温度が第１外気温度Ｔ１未満となる第１の温度範囲Ｚ１内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖａの変化率を、外気温度が第１外気温度Ｔ１以上かつ第２外気温度Ｔ２未満となる第２の温度範囲Ｚ２内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｃの変化率より小さく設定しているので、凝縮水の蒸発判定に対して外気温度の変化の影響が少ない温度範囲については閾値温度Ｔｖを変更するための処理負担を軽減できる。
【０１０４】
また、同様に、本実施形態では、外気温度が第２外気温度Ｔ２以上となる第３の温度範囲Ｚ３内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｂの変化率を、第２の温度範囲Ｚ２内での外気温度の変化に対する閾値温度Ｔｖｃの変化率より小さく設定しているので、凝縮水の蒸発判定に対して外気温度の変化の影響が少ない高温の外気温度範囲については、閾値温度Ｔｖを変更するための処理負担を軽減できる。
【０１０５】
さらに、本実施形態では、排気の温度が閾値温度Ｔｖより低温の処理開始条件温度Ｔｉ以上に昇温したことを条件に、外気温度に応じた閾値温度Ｔｖの可変設定を開始し、排気の温度が処理開始条件温度Ｔｉ以上に昇温したことを条件に、排気の温度が閾値温度Ｔｖを超えたか否かの判定を開始する。したがって、凝縮水を蒸発させ難い運転状態下でＰＭセンサ４５のヒータ加熱がなされることがなく、しかも、その間のエンジンＥＣＵ３１の計算処理の負担も軽減できる。
【０１０６】
なお、上述の一実施形態においては、ＰＭセンサ４５を本発明にいう排気ガスセンサとしたが、ヒータ内蔵式の排気ガスセンサであれば、ＰＭセンサに限らず、本発明は適用可能である。
【０１０７】
また、上述の一実施形態においては、エンジンＥＣＵ３１の計算処理負荷を軽減すべく、外気温度に応じて閾値温度Ｔｖを可変設定するために予めの実験結果に基づく閾値温度設定マップを用いるものとした。しかし、ＥＣＵの計算処理負担が上述の場合より増すものの、外気温度のみならずエンジン１０の運転状態を考慮した閾値温度Ｔｖの最適値を予めの実験により求めておき、外気温度のみならずエンジン１０の運転状態に応じた閾値温度Ｔｖの可変設定を行うことも考えられる。
【０１０８】
また、上述の実施形態では、排気温度が処理開始条件の排気温度Ｔｉを超えると、蒸発完了判定の処理を開始するものとしていたが、外気温度を考慮した上で凝縮水が生じないと判定できるエンジン１０の運転条件を予め計算により求めておき、その運転状態にあるか否かをマップで判定するといったことも考えられる。
【０１０９】
その場合、例えば、外気（吸気）の温度および大気圧を基に、吸入空気中の水分量および露点温度を算出し、その吸入空気の組成（各気体分子および水のモル比）を求めるとともに、そのときの吸入空気量および燃料噴射量から求まる空燃比と既知の燃料および吸入空気の組成成分の分子量とを基に、燃焼前後のガスの組成と既燃ガスの分子量とを算出し、排ガス中の水分量（既燃ガスの絶対湿度）を算出することで、あるいは、さらに、以上の算出結果と排気再循環経路中で検出されるＥＧＲガスの温度および圧力とから求まるそのガスの蒸気圧、分子量および密度等を考慮して、ＰＭセンサ付近を通過する排ガス中の水分量（既燃ガスの絶対湿度）を算出するといったことが考えられる。
【０１１０】
以上説明したように、本発明は、運転中の計算処理負担を大きくすることなく、ＰＭセンサ等の排気ガスセンサの故障防止のための的確な凝縮水の有無判定が可能な排気ガスセンサの故障防止装置を提供できるものである。かかる本発明は、車両等に搭載される内燃機関の排気通路上に配置されるヒータ付きの排気ガスセンサの故障防止装置全般に有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０  エンジン（内燃機関、ディーゼルエンジン）
１１  排気管
１１ａ  排気通路
１２  排気浄化装置
１３  排気ターボ過給機
１４  排気ブレーキ
１６  燃料添加弁
１８  カットオフバルブ
２１  ケース
２２  第２の酸化触媒
２３  ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２４  ＳＣＲ触媒
２５  アンモニア低減触媒
２６  ＤＥＦインジェクタ
３１  エンジンＥＣＵ（排気流量検出手段、積算手段、ヒータ加熱制御手段、閾値温度設定手段）
３２、３３、３４、３６、４６  排気温度センサ（排気温度検出手段）
３５  差圧センサ
３７  第１ＮＯｘセンサ
３８  第２ＮＯｘセンサ
４１  ＤｅＮＯｘＥＣＵ
４２  外気温度センサ
４５  ＰＭセンサ
５１  絶縁基板
５２、５３  検出電極（一対の電極）
５４  検出部
５９  ヒータ
６１  抵抗計測部
６２  ヒータ加熱制御部
７２  エアフローメータ
Ｔ１  第１外気温度
Ｔ２  第２外気温度
Ｚ１  第１の温度範囲
Ｚ２  第２の温度範囲
Ｚ３  第３の温度範囲
【図１】
0006585967.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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