(57)【要約】【課題】パティキュレイトフィルタの故障を高精度に検出する。【解決手段】内燃機関１００の排気通路１１０に設けられて排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ２２０の診断装置であって、ＤＰＦ２２０よりも排気下流側の排気通路１１０に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材３１に、セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材３２，３３を設けたＰＭセンサ１０と、電極部材３２，３３間の静電容量に基づいてＤＰＦ２２０の故障を判定するＤＰＦ故障判定部４３とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレイトフィルタの診断装置であって、
前記パティキュレイトフィルタよりも排気下流側の前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設けたセンサと、
前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記パティキュレイトフィルタの故障を判定する故障判定手段と、を備える
診断装置。
【請求項２】
前記センサは、前記一対の電極部材間の静電容量が所定の上限閾値に達すると前記セルに堆積した粒子状物質を燃焼除去させるセンサ再生を実行する再生手段をさらに備え、
前記故障判定手段は、前記再生手段によるセンサ再生の実行回数もしくは、前記再生手段によるセンサ再生終了から次のセンサ再生開始までの再生インターバルに基づいて、前記パティキュレイトフィルタの故障を判定する
請求項１に記載の診断装置。
【請求項３】
前記センサは、筒状に形成されてその筒内に前記フィルタ部材を収容すると共に、一端開口部から筒内に導入した排気を前記フィルタ部材に通過させて他端開口部から筒外に導出するケース部材を備える
請求項１又は２に記載の診断装置。
【請求項４】
前記フィルタ部材が前記セルを一方向に並列に複数配置したフィルタ層であり、前記一対の電極部材が前記フィルタ層を挟んで対向する平板状の第１及び第２電極板である
請求項１から３の何れか一項に記載の診断装置。
【請求項５】
前記第１電極板、前記第２電極板及び、前記フィルタ層をそれぞれ複数有すると共に、前記複数の第１及び第２電極板が前記複数のフィルタ層を一層ずつ挟んで交互に積層された
請求項４に記載の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、診断装置に関し、特に、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集するパティキュレイトフィルタの診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気浄化装置として、排気中のＰＭを捕集するパティキュレイトフィルタを備えたものが知られている。パティキュレイトフィルタに溶損や破損等の故障が生じると、パティキュレイトフィルタに捕集されずに大気に放出されるＰＭ量が増加するため好ましくない。このため、パティキュレイトフィルタの故障を車載状態（On-Board）で診断する要請がある。
【０００３】
パティキュレイトフィルタの故障を診断する技術として、例えば、パティキュレイトフィルタの下流側に設けた電気抵抗型ＰＭセンサのＰＭ検出値と、予め取得したパティキュレイトフィルタが正常な状態の流出ＰＭ推定量とを比較することで、パティキュレイトフィルタの故障を検出する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１７９４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電気抵抗型ＰＭセンサは、各電極にＰＭを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態では、電極に付着したＰＭの一部が離脱する可能性があり、ＰＭ量の検出精度を担保できない課題がある。また、電極間の電気抵抗値はＰＭの堆積によって電極が互いに繋がるまで変化を示さないため、センサの再生インターバル期間はＰＭ量を正確に検出できない課題もある。
【０００６】
このため、電気抵抗型ＰＭセンサを用いた従来の診断装置では、パティキュレイトフィルタの故障を正確に検出できない可能性がある。
【０００７】
開示の診断装置は、パティキュレイトフィルタの故障を高精度に検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示の診断装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレイトフィルタの診断装置であって、前記パティキュレイトフィルタよりも排気下流側の前記排気通路に配置されて排気中の粒子状物質を捕集するセルを含むフィルタ部材に、前記セルを挟んで対向配置されてコンデンサを形成する少なくとも一対の電極部材を設けたセンサと、前記一対の電極部材間の静電容量に基づいて、前記パティキュレイトフィルタの故障を判定する故障判定手段とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
開示の診断装置によれば、パティキュレイトフィルタの故障を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。
【図２】第一実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
【図３】第一実施形態に係る診断装置の電子制御ユニットを示す機能ブロック図である。
【図４】第一実施形態に係るＰＭセンサのセンサ再生を説明する図である。
【図５】（Ａ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な斜視図、（Ｂ）は、第二実施形態に係るＰＭセンサのセンサ部を示す模式的な分解斜視図である。
【図６】他の実施形態に係る診断装置のＰＭセンサを示す模式的な部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１２】
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る診断装置が適用されたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１００の排気系の一例を示す概略構成図である。排気管１１０には、排気上流側から順に、酸化触媒２１０、パティキュレイトフィルタ（以下、ＤＰＦという）２２０等が設けられている。本実施形態のＰＭセンサ１０は、ＤＰＦ２２０よりも下流側の排気管１１０に設けられている。
【００１３】
次に、図２に基づいて本実施形態に係るＰＭセンサ１０の詳細構成について説明する。
【００１４】
ＰＭセンサ１０は、排気管１１０内に挿入されたケース部材１１と、ケース部材１１を排気管１１０に取り付ける台座部２０と、ケース部材１１内に収容されたセンサ部３０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０とを備えている。
【００１５】
ケース部材１１は、底部側（図示例では下端側）を閉塞した有底円筒状に形成されている。ケース部材１１の筒軸方向の長さＬは、その底部側の筒壁部が排気管１１０の軸中心ＣＬ近傍まで突出するように、排気管１１０の半径Ｒと略同一の長さで形成されている。なお、以下の説明では、ケース部材１１の底部側を先端側、底部側とは反対側をケース部材１１の基端側とする。
【００１６】
ケース部材１１の先端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導入口１２が設けられている。また、ケース部材１１の基端側筒壁部には、周方向に間隔を隔てて配置された複数の導出口１３が設けられている。導入口１２の総開口面積Ｓ12は、導出口１３の総開口面積Ｓ13よりも小さく形成されている（Ｓ12＜Ｓ13）。すなわち、導入口１２付近の排気流速Ｖ12が導出口１３付近の排気流速Ｖ13よりも遅くなることで（Ｖ12＜Ｖ13）、導入口１２側の圧力Ｐ12は導出口１３側の圧力Ｐ13よりも高くなる（Ｐ12＞Ｐ13）。これにより、導入口１２からはケース部材１１内に排気ガスが円滑に取り込まれると同時に、導出口１３からはケース部材１１内の排気ガスが排気管１１０内に円滑に導出される。
【００１７】
台座部２０は、雄ネジ部２１と、ナット部２２とを備えている。雄ネジ部２１はケース部材１１の基端部に設けられており、ケース部材１１の基端側開口部を閉塞する。この雄ネジ部２１は、排気管１１０に形成されたボス部１１０Ａの雌ネジ部と螺合される。ナット部２２は、例えば六角ナットであって、雄ネジ部２１の上端部に固定されている。これら雄ネジ部２１及びナット部２２には、後述する導電線３２Ａ，３３Ａ等を挿通させる貫通孔（不図示）が形成されている。
【００１８】
センサ部３０は、フィルタ部材３１と、複数対の電極３２，３３と、電気ヒータ３４とを備えている。
【００１９】
フィルタ部材３１は、例えば、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。このフィルタ部材３１は、セルの流路方向をケース部材１１の軸方向（図中上下方向）と略平行にした状態で、ケース部材１１の内周面にクッション部材３１Ａを介して保持されている。導入口１２からケース部材１１内に取り込まれた排気ガス中のＰＭは、排気ガスが下流側を目封止されたセルから上流側を目封止されたセルに流れ込むことで、隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、下流側が目封止されたセルを測定用セルといい、上流側が目封止されたセルを電極用セルという。
【００２０】
電極３２，３３は、例えば導電性の金属線であって、測定用セルを挟んで対向する電極用セルに下流側（非目封止側）から交互に挿入されてコンデンサを形成する。これら電極３２，３３は、ＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路に導電線３２Ａ，３３Ａを介してそれぞれ接続されている。
【００２１】
電気ヒータ３４は、例えば電熱線であって、本発明の再生手段を構成する。電気ヒータ３４は、通電により発熱して測定用セルを加熱することで、測定用セル内に堆積したＰＭを燃焼除去するいわゆるセンサ再生を実行する。このため、電気ヒータ３４は、連続Ｓ字形に屈曲して形成されており、互いに平行な直線部分を各測定用セル内に流路に沿って挿入されている。
【００２２】
次に、図３に基づいて、本実施形態のＥＣＵ４０の詳細について説明する。ＥＣＵ４０は、センサ再生制御部４１と、ＰＭ量推定演算部４２と、ＤＰＦ故障判定部４３とを各機能要素として備えている。これら機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２３】
センサ再生制御部４１は、本発明の再生手段の一部であって、図示しない静電容量検出回路によって検出される電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに応じて電気ヒータ３４をＯＮ（通電）にするセンサ再生を実行する。電極３２，３３間の静電容量Ｃｐは、電極３２，３３間の媒体の誘電率ε、電極３２，３３の面積Ｓ、電極３２，３３間の距離ｄとする以下の数式１で表される。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
数式１において、電極３２，３３の表面積Ｓは一定であり、フィルタ部材３１にＰＭが捕集されると、誘電率ε及び距離ｄが変化して、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。すなわち、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐとフィルタ部材３１のＰＭ堆積量との間には比例関係が成立する。
【００２６】
センサ再生制御部４１は、図４に示すように、電極３２，３３間の静電容量Ｃｐがフィルタ部材３１のＰＭ上限堆積量を示す所定の静電容量上限閾値ＣP_maxに達すると、電気ヒータ３４をＯＮにするセンサ再生を開始する。このセンサ再生は、静電容量ＣｐがＰＭの完全除去を示す所定の静電容量下限閾値ＣP_minに低下するまで継続される。
【００２７】
ＰＭ量推定演算部４２は、再生インターバルＴn間（センサ再生終了から次のセンサ再生開始）における静電容量変化量ΔＣｐnに基づいて、排気中の総ＰＭ量ｍPM_sumを推定演算する。
【００２８】
再生インターバルＴn間にフィルタ部材３１で捕集されるＰＭ量ｍPM_nは、静電容量変化量ΔＣｐnに一次の係数βを乗算した以下の数式２で得られる。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
ＰＭ量推定演算部４２は、数式２から算出される各再生インターバルＴn間のＰＭ量ｍPM_nを順次積算する以下の数式３に基づいて、フィルタ部材３１に流れ込む排気中の総ＰＭ量ｍPM_sumをＰＭセンサ１０の出力値としてリアルタイムに演算する。
【００３１】
【数３】
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【００３２】
ＤＰＦ故障判定部４３は、本発明の故障判定手段であって、ＰＭセンサ１０のセンサ再生回数もしくは、再生インターバルＴnに基づいて、ＤＰＦ２２０の溶損や破損等による故障（機能失陥）を判定する。以下、本実施形態に係る故障判定の詳細について説明する。
【００３３】
［センサ再生回数に基づいた判定］
ＤＰＦ２２０の溶損や破損等によってＰＭスリップ量が増加すると、下流側に配置されたＰＭセンサ１０のセンサ再生回数（実行頻度）も増加する。本実施形態では、ＥＣＵ４０の図示しない記憶部に、予め実験等によってＤＰＦ２２０の機能が正常な状態で取得したＰＭセンサ１０のセンサ再生回数を基準回数Ｎ_Reg_Stdとして記憶させている。ＤＰＦ故障判定部４３は、センサ再生制御部４１によるセンサ再生回数のカウント値Ｎ_Reg_Countが基準回数Ｎ_Reg_Stdよりも多くなると（Ｎ_Reg_Count＞Ｎ_Reg_Std）、ＤＰＦ２２０に故障が発生したと判定する。
【００３４】
［再生インターバルに基づいた判定］
ＤＰＦ２２０の溶損や破損等によってＰＭスリップ量が増加すると、ＰＭセンサ１０の再生インターバルＴnは次第に短縮される。本実施形態では、ＥＣＵ４０の図示しない記憶部に、予め実験等によってＤＰＦ２２０の機能が正常な状態で取得したＰＭセンサ１０の再生インターバルＴnを基準インターバルＴ_Stdとして記憶させている。ＤＰＦ故障判定部４３は、再生インターバルＴnが基準インターバルＴ_Stdよりも短くなると（Ｔn＜Ｔ_Std）、ＤＰＦ２２０に故障が発生したと判定する。
【００３５】
なお、故障判定の手法は、これらセンサ再生回数や再生インターバルに限定されず、例えば、ＰＭ量推定演算部４２によって推定される総ＰＭ量ｍPM_sumが、予め実験等によって取得したＤＰＦ２２０が正常な状態で下流側に流出する基準ＰＭ量ｍPM_Stdよりも多くなった場合に、ＤＰＦ２２０を故障と判定するようにしてもよい。
【００３６】
次に、本実施形態に係る診断装置の作用効果を説明する。
【００３７】
電気抵抗型ＰＭセンサは、各電極にＰＭを付着させる簡素な構造のため、特に排気流量が多くなる運転状態でＰＭの一部が電極から離脱する可能性があり、ＰＭ量の検出精度を担保できない課題がある。また、電極間の電気抵抗値は電極がＰＭによって繋がるまで変化しないため、再生インターバル期間はＰＭ量を正確に検出できない課題がある。このため、ＤＰＦ２２０下流側の電気抵抗型ＰＭセンサを用いる従来の診断装置では、ＤＰＦ２２０の故障を正確に検出できない課題がある。
【００３８】
これに対し、本実施形態の診断装置は、排気流量が多い状態でもＰＭセンサ１０のフィルタ部材３１に排気中のＰＭを確実に捕集しつつ、電気抵抗値よりも感度が良好な電極３２，３３間の静電容量Ｃｐに基づいて実行されるセンサ再生の回数や再生インターバルに基づいて、ＤＰＦ２２０の故障を判定するように構成されている。したがって、本実施形態の診断装置によれば、ＤＰＦ２２０の破損や溶損等による故障を高精度に検出することが可能になる。
【００３９】
［第二実施形態］
次に、図５に基づいて、第二実施形態に係る診断装置の詳細について説明する。第二実施形態の診断装置は、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、センサ部３０を積層タイプにしたものである。他の構成要素については同一構造となるため、詳細な説明及び図示は省略する。
【００４０】
図５（Ａ）は、第二実施形態のセンサ部６０の斜視図、図５（Ｂ）はセンサ部６０の分解斜視図をそれぞれ示している。センサ部６０は、複数のフィルタ層６１と、複数枚の第１及び第２電極板６２，６３とを備えている。
【００４１】
フィルタ層６１は、例えば、多孔質セラミックス等の隔壁で区画されて排気流路をなす複数のセルの上流側と下流側とを交互に目封止し、これらセルを一方向に並列に配置した直方体状に形成されている。排気ガス中に含まれるＰＭは、図５（Ｂ）中に破線矢印で示すように、排気ガスが下流側を目封止されたセルＣ１から上流側を目封止されたセルＣ２に流れ込むことで、セルＣ１の隔壁表面や細孔に捕集される。なお、以下の説明では、セル流路方向をセンサ部６０の長さ方向（図５（Ａ）中の矢印Ｌ）とし、セル流路方向と直交する方向をセンサ部６０の幅方向（図５（Ａ）中の矢印Ｗ）とする。
【００４２】
第１及び第２電極板６２，６３は、例えば、平板状の導電性部材であって、その長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗの外形寸法をフィルタ層６１と略同一に形成されている。これら第１及び第２電極板６２，６３は、フィルタ層６１を挟んで交互に積層されると共に、導電線６２Ａ，６３Ａを介してＥＣＵ４０に内蔵された図示しない静電容量検出回路にそれぞれ接続されている。
【００４３】
すなわち、第１電極板６２と第２電極板６３とを対向配置し、これら電極板６２，６３間にフィルタ層６１を挟持させたことで、セルＣ１全体がコンデンサを形成するようになっている。このように、第二実施形態では、平板状の電極板６２，６３によりセルＣ１全体をコンデンサにしたことで、電極表面積Ｓを効果的に確保することが可能となり、検出可能な静電容量絶対値を高めることが可能になる。また、電極間距離ｄがセルピッチとなり均一化されることで、初期静電容量のバラツキを効果的に抑制することができる。
【００４４】
なお、セルＣ１に堆積したＰＭを燃焼除去する場合は、電極板６２，６３に電圧を直接印加するか、あるいは、フィルタ層６１と電極板６２，６３との間に図示しないヒータ基板等を介設すればよい。
【００４５】
［その他］
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４６】
例えば、図６に示すように、第一実施形態のＰＭセンサ１０において、導入口１２と導出口１３との位置を入れ替えて、ケース部材１１内に導入される排気ガスの流れを逆向きにしてもよい。この場合は、フィルタ部材３１をケース部材１１内に反転させて収容すればよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ＰＭセンサ
１１  ケース部材
１２  導入口
１３  導出口
２０  台座部
２１  雄ネジ部
２２  ナット部
３０  センサ部
３１  フィルタ部材
３２，３３  電極
３４  電気ヒータ
４０  ＥＣＵ
４１  センサ再生制御部
４２  ＰＭ量推定演算部
４３  ＤＰＦ故障判定部
１００  エンジン
１１０  排気管
２２０  ＤＰＦ
【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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【図６】
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