(57)【要約】    【課題】  比較的簡単な装置構成及び演算処理によりＤＰＦの故障検出や再生時期判定を可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。    【解決手段】  エンジン１の作動中は、酸素濃度センサ２１の温度ＴＳＲを第１の温度ＴＳＲ１に制御し、そのときのセンサ出力ＶＯ２を記憶値ＶＯ２Ｍとして記憶する（Ｓ１５，Ｓ１６）。エンジン１の停止後、酸素濃度センサ２１の温度ＴＳＲを第１の温度ＴＳＲ１より高い第２の温度ＴＳＲ２に制御し、そのときのセンサ出力ＶＯ２の最大値ＶＭＡＸと、記憶値ＶＯ２Ｍの差を変化量ＤＶＯ２とする（Ｓ１９，Ｓ２２）。変化量ＤＶＯ２が判定閾値ＤＶＯ２ＴＨより高くなると、ＤＰＦ１２が故障したと判定する（Ｓ２３，Ｓ２４）。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタの下流側に設けられ、ヒータを備える酸素濃度センサと、
前記ヒータを通電したときの前記酸素濃度センサの出力に基づいて、前記酸素濃度センサに付着したパティキュレート量を検出するパティキュレート付着量検出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】
前記パティキュレート付着量検出手段により検出されるパティキュレート量に基づいて、前記パティキュレートフィルタの故障を検出する故障検出手段をさらに備える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の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサを設け、差圧センサにより検出される差圧に基づいて、ＤＰＦの目詰まりや溶損を判定する異常検知装置が示されている。
【特許文献１】特開２００３−１５５９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された異常検知装置では、差圧センサにより検出される差圧に基づいて判定が行われるため、異常検知は機関の運転中に行うことが必要である。そのため、機関運転状態の影響を受けやすいので、検出値の平均化処理や機関運転状態に応じた判定基準値の設定が必要となり、演算処理が複雑化する。また、差圧センサを装着するための配管が必要となり、装置の構成も複雑化し易い。
【０００５】
また差圧センサは、ＤＰＦの再生処理を行う時期（再生時期）を判定するためにも使用されるが、より簡便な手法で再生時期を正確に判定することが望まれている。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、比較的簡単な装置構成及び演算処理によりＤＰＦの故障検出や再生時期判定を可能とする内燃機関の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）の排気系（４）に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（１２）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタ（１２）の下流側に設けられ、ヒータ（２２）を備える酸素濃度センサ（２１）と、前記ヒータ（２２）を通電したときの前記酸素濃度センサの出力（ＶＯ２）に基づいて、前記酸素濃度センサ（２１）に付着したパティキュレート量（ＤＶＯ２）を検出するパティキュレート付着量検出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、前記パティキュレート付着量検出手段により検出されるパティキュレート量（ＤＶＯ２）に基づいて、前記パティキュレートフィルタ（１２）の故障を検出する故障検出手段をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの下流側にヒータを有する酸素濃度センサが設けられ、ヒータを通電したときの酸素濃度センサの出力に基づいて、酸素濃度センサに付着したパティキュレート量が検出される。パティキュレートフィルタが故障し、パティキュレートを十分に捕集しなくなったときは、下流側にパティキュレートが排出され、酸素濃度センサに付着する。したがって、酸素濃度センサに付着したパティキュレート量を検出することにより、パティキュレートフィルタの故障あるいは、パティキュレートの堆積量が堆積可能量を上回った状態を判定することが可能となる。ヒータ付きの酸素濃度センサは、ヒータを通電し、酸素濃度センサを加熱することにより、パティキュレートが付着しているときには、その付着したパティキュレートが燃焼する。その結果、酸素濃度センサ出力が、パティキュレートが付着してないときと明らかに異なるものとなり、パティキュレートの付着量を容易に判定することができる。したがって、比較的簡単な装置構成及び演算処理によりパティキュレートフィルタの故障検出や再生時期判定を行うことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、検出される酸素濃度センサに付着したパティキュレート量に基づいて、パティキュレートフィルタの故障が検出される。例えば、パティキュレートフィルタの孔あきが発生したような場合には、検出されるパティキュレート量が増加するので、パティキュレートフィルタの故障を正確に判定するすることができる。
【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。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の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とを備えている。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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１１と、ＤＰＦ１２とが上流側からこの順序で設けられている。
触媒コンバータ１１は、排気中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化を促進するための酸化触媒を内蔵する。なお、触媒コンバータ１１は、ＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着剤及びＮＯｘの還元作用が付加されたものであってもよい。
【００１６】
ＤＰＦ１２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。
【００１７】
ＤＰＦ１２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。
【００１８】
ＤＰＦ１２の下流側には、二値型の酸素濃度センサ２１が設けられており、その検出信号がＥＣＵ２０に供給される。酸素濃度センサ２１は、排気中の酸素濃度ＯＸＹＣが所定閾値ＯＸＹＳより大きい状態のとき低レベルの電圧を出力し、所定閾値ＯＸＹＳより小さい状態のとき高レベルの電圧を出力する特性を有する。すなわち、酸素濃度ＯＸＹＣが所定閾値ＯＸＹＳより大きい状態から小さい状態へ変化すると、酸素濃度センサ２１の出力は、急激に低レベルから高レベルに変化する。酸素濃度センサ２１にはヒータ２２が設けられており、ヒータ２２はＥＣＵ２０により通電制御が行われる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
ＥＣＵ２０は、酸素濃度センサ２１を用いて、ＤＰＦ１２の故障、具体的にはフィルタ壁に孔があいてスートが漏れ出す故障の検出を行う。すなわち、エンジン１の通常運転中は、酸素濃度センサ２１の温度（以下「センサ温度」という）ＴＳＲが第１の温度ＴＳＲ１（例えば４５０℃）となるようにヒータ２２の通電制御を行い、エンジン１の停止後にセンサ温度ＴＳＴが第１の温度ＴＳＲ１より高い第２の温度ＴＳＲ２（例えば７５０℃以上）となるようにヒータ２２の通電制御を行う。
【００２２】
第１の温度ＴＳＲ１は、酸素濃度センサ２１の活性状態を維持するが、酸素濃度センサ２１に付着したスートが燃焼しない温度であり、第２の温度ＴＳＲ２は、酸素濃度センサ２１に付着したスートが燃焼する温度である。
【００２３】
図２はこのようなヒータ２２の通電制御を行った場合における、酸素濃度センサ２１出力ＶＯ２の変化を示すタイムチャートである。この図の実線がＤＰＦ１２が故障している場合に対応し、破線が正常である場合に対応する。また時刻ｔ０がエンジン１を停止させた時刻であり、時刻ｔ０より前はセンサ温度ＴＳＲが第１の温度ＴＳＲ１に制御され、実線及び破線がともに低レベルとなっている。時刻ｔ０からセンサ温度ＴＳＲを第２の温度ＴＳＲ２まで高めると、故障している場合には酸素濃度センサ２１に付着したスートが燃焼するため、酸素濃度センサ２１近傍の酸素濃度が低下し、センサ出力ＶＯ２が上昇する特性を示す。これに対し、ＤＰＦ１２が正常であって、酸素濃度センサ２１にスートが付着していないときは、センサ出力ＶＯ２はほとんど変化しない。したがって、この違いを判定することにより、ＤＰＦ１２の故障（孔あき）を検出することができる。
【００２４】
図３は、上述した手法によりＤＰＦ１２の故障を判定する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間（例えば１秒）毎に実行される。
ステップＳ１１では、エンジン停止フラグＦＳＴＰが「１」であるか否かを判別する。エンジン停止フラグＦＳＴＰは、エンジン１が停止したとき「１」に設定される（ステップＳ１８）ので、エンジン１の作動中はステップＳ１２に進み、エンジン運転状態、すなわち各種センサ出力を読み込む。次いでエンジン１の暖機が完了しているか否かを判別し（ステップＳ１３）、完了していないときは直ちに本処理を終了する。
【００２５】
暖機が完了しているときは、エンジン１が停止したか否かを判別し（ステップＳ１４）、エンジン１の作動中であれば、センサ温度ＴＳＲが第１の温度ＴＳＲ１となるようにヒータ２２の通電制御を行う（ステップＳ１５）。ステップＳ１６では、センサ出力記憶値ＶＯ２Ｍをその時点のセンサ出力ＶＯ２に設定するとともに、最大出力ＶＭＡＸを「０」に設定する。さらにエンジン停止フラグＦＳＴＰを「０」に設定し（ステップＳ１７）、本処理を終了する。
【００２６】
エンジン１が停止すると、ステップＳ１４からステップＳ１８に進み、エンジン停止フラグＦＳＴＰを「１」に設定する。ステップＳ１８を実行すると、以後はステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）となるので、ステップＳ１１から直ちにステップＳ１９に進む。
【００２７】
ステップＳ１９では、センサ温度ＴＳＲが第２の温度ＴＳＲ２となるようにヒータ２２の通電制御を行う。ステップＳ２０では、センサ出力ＶＯ２が最大出力ＶＭＡＸより大きいか否かを判別する。最大出力ＶＭＡＸはステップＳ１６で「０」に初期化されるので、最初はこの答が肯定（ＹＥＳ）となり、最大出力ＶＭＡＸはその時点のセンサ出力ＶＯ２に設定される（ステップＳ２１）。ステップＳ２０の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ２２に進む。
【００２８】
ステップＳ２２では、下記式（１）に最大出力ＶＭＡＸ及びセンサ出力記憶値ＶＯ２Ｍを適用し、変化量ＤＶＯ２を算出する。
ＤＶＯ２＝ＶＭＡＸ−ＶＯ２Ｍ                        （１）
ステップＳ２３では、変化量ＤＶＯ２が判定閾値ＤＶＯ２ＴＨより大きいか否かを判別し、この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＤＰＦ１２が故障していると判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに本処理を終了する。
【００２９】
図３に示す処理により、図２に実線で示すようなＤＰＦ故障時の出力変化特性が検出され、比較的簡単な構成で、ＤＰＦ１２の故障検出を行うことができる。また本実施形態では、エンジン１の停止後に判定を行うようにしたので、エンジン運転状態の変化に起因するセンサ出力ＶＯ２の変動がなく、正確な判定を行うことができる。
【００３０】
なお、変化量ＤＶＯ２は、パティキュレート付着量が増加するほど、大きくなるので、酸素濃度センサ２１に付着したパティキュレート量を示すパラメータとして使用することができる。例えば、上記判定閾値ＤＶＯ２ＴＨより小さい、ＤＰＦ再生処理の実行時期判定用の閾値（再生時期判定閾値）ＤＲＴＨを設定し、変化量ＤＶＯ２が再生時期判定閾値ＤＲＴＨに達したときに、ＤＰＦ再生処理を実行するようにしてもよい。
【００３１】
本実施形態では、ＥＣＵ２０がパティキュレート付着量検出手段及び故障検出手段を構成する。具体的には、図３のステップＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１９〜Ｓ２２がパティキュレート付着量検出手段に相当し、ステップＳ２３及びＳ２４が故障検出手段に相当する。
【００３２】
［第２の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態における二値型酸素濃度センサ２１を、リニア型酸素濃度センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）に代えたものである。ＬＡＦセンサは、排気中の酸素濃度ＯＸＹＣにほぼ比例する電圧ＶＬＡＦを出力する。したがって、スートが付着した状態でスートを燃焼させると、センサ出力ＶＬＡＦは、二値型酸素濃度センサ２１とは逆に低下する。
【００３３】
図４は、ＬＡＦセンサのセンサ出力ＶＬＡＦの推移を示すタイムチャートである。図２と同様に、時刻ｔ０より前はセンサ温度ＴＳＲが第１の温度ＴＳＲ１となるように制御し、時刻ｔ０においてエンジン１が停止した後は、センサ温度ＴＳＲが第２の温度ＴＳＲ２となるように制御した場合における、センサ出力ＶＬＡＦの推移が示されている。ＤＰＦ１２が正常であってスートがＬＡＦセンサに付着していないときは、破線で示すように、センサ出力ＶＬＡＦは時刻ｔ０以後急激に上昇する。これは、センサの内部抵抗が温度によって変化するためである。これに対し、ＬＡＦセンサにスートが付着している場合、すなわちＤＰＦ１２が故障しているとき場合には、実線で示すように、センサ出力ＶＬＡＦは時刻ｔ０以後低下し、徐々にＤＰＦ正常時の出力（破線で示す特性）に近づく。したがって、この違いを判定することにより、ＤＰＦ１２の故障を検出することができる。
【００３４】
図５は、本実施形態における故障判定処理のフローチャートである。図３に示す処理と異なる点を以下に説明する。
【００３５】
図５のステップＳ１６ａでは、センサ出力記憶値ＶＬＡＦＭ及び最小出力ＶＭＩＮを、その時点のセンサ出力ＶＬＡＦに設定する。ステップＳ２０ａでは、センサ出力ＶＬＡＦが最小出力ＶＭＩＮより小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、最小出力ＶＭＩＮをそのセンサ出力ＶＬＡＦに設定する（ステップＳ２１ａ）。ステップＳ２０ａの答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちにステップＳ２２ａに進む。
【００３６】
ステップＳ２２ａでは、下記式（２）にセンサ出力記憶値ＶＬＡＦＭ及び最小出力ＶＭＩＮを適用し、変化量ＤＶＬＡＦを算出する。
ＤＶＬＡＦ＝ＶＬＡＦＭ−ＶＭＩＮ                      （２）
ステップＳ２３ａでは、変化量ＤＶＬＡＦが判定閾値ＤＶＬＡＴＨより大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるとき、ＤＰＦ１２が故障していると判定する（ステップＳ２４）。
【００３７】
以上のように、二値型酸素濃度センサに代えてＬＡＦセンサを用いても、同様にＤＰＦ１２の故障検出を行うことができる。
本実施形態では、図５のステップＳ１５，Ｓ１６ａ，Ｓ１９，Ｓ２０ａ〜Ｓ２２ａがパティキュレート付着量検出手段に相当し、ステップＳ２３ａ及びＳ２４が故障検出手段に相当する。
【００３８】
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エンジン停止後に、酸素濃度センサの温度を高めてＤＰＦの故障判定を行うにしたが、エンジンの定常的な運転状態、例えばアイドル状態で行うようにしてもよい。ただし、エンジン停止後の方が、エンジン運転状態の影響を受けないので、判定精度を高めることができる。
【００３９】
また上述した実施形態では、酸素濃度センサの温度を高めた後の最大の変化量である変化量ＤＶＯ２またはＤＶＬＡＦをパティキュレート付着量を示すパラメータとして使用したが、例えば経時変化する瞬時変化量ＤＶＯ２ＩＮＳ（＝ＶＯ２−ＶＯ２Ｍ）またはＤＶＬＡＦＩＮＳ（＝ＶＬＡＦＭ−ＶＬＡＦ）を積算することにより得られる積算値を、パティキュレート付着量を示すパラメータとして使用してもよい。この場合、瞬時変化量ＤＶＯ２ＩＮＳまたはＤＶＬＡＦＩＮＳが負の値となるときは「０」に設定して積算演算を行う。
【００４０】
また本発明は、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に装着されるＤＰＦの故障検出にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】二値型酸素濃度センサの温度を高めたときのセンサ出力（ＶＯ２）の推移を示す図である。
【図３】ＤＰＦの故障判定を行う処理（第１の実施形態）のフローチャートである。
【図４】リニア型酸素濃度センサの温度を高めたときのセンサ出力（ＶＬＡＦ）の推移を示す図である。
【図５】ＤＰＦの故障判定を行う処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１  内燃機関
４  排気管
１２  ディーゼルパティキュレートフィルタ
２０  電子制御ユニット（パティキュレート付着量検出手段、故障検出手段）
２１  酸素濃度センサ
２２  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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