(57)【要約】【課題】ＰＭ検出素子を損傷させることなくかつ高い精度で故障を検知できるＰＭセンサの制御装置を提供すること。【解決手段】ＰＭセンサは、排気中のＰＭが付着するＰＭ検出素子と、ＰＭ検出素子を保護するとともに排気管内を流れる排気の一部をＰＭ検出素子へ導入するシールド部材と、ＰＭ検出素子を加熱するヒータと、を備える。ＰＭセンサの制御装置は、ヒータを用いてＰＭ検出素子の温度をＰＭ燃焼温度より高くする加熱手段と、ＰＭ検出素子の電気抵抗を測定する抵抗測定手段と、加熱手段によって加熱されている間における排気管内の排気流速及び排気温度の両方又は何れかの時間変化と抵抗測定手段を用いて測定された電気抵抗の時間変化との間の相関を取得する相関取得手段と、取得された相関を用いてシールド部材の故障を判定する故障判定手段と、を備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中のＰＭが付着するＰＭ検出素子と、
当該ＰＭ検出素子を保護するとともに内燃機関の排気管内を流れる排気の一部を前記ＰＭ検出素子へ導入するシールド部材と、
前記ＰＭ検出素子を加熱するヒータと、を備えるＰＭセンサの制御装置であって、
前記ヒータを用いて前記ＰＭ検出素子の温度をＰＭ燃焼温度より高くする加熱手段と、
前記ＰＭ検出素子の電気抵抗を測定する抵抗測定手段と、
前記加熱手段によって加熱されている間における前記排気管内の排気流速及び排気温度の両方又は何れかの時間変化と前記抵抗測定手段を用いて測定された電気抵抗の時間変化との間の相関を取得する相関取得手段と、
前記取得された相関を用いて前記シールド部材の故障を判定する故障判定手段と、を備えることを特徴とするＰＭセンサの制御装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記相関取得手段によって前記相関を取得している間は前記ヒータで発生する熱量を一定にすることを特徴とする請求項１に記載のＰＭセンサの制御装置。
【請求項３】
前記故障判定手段は、前記加熱手段による加熱を開始してから前記ＰＭ検出素子に付着していたＰＭが除去された後、当該加熱手段による加熱を継続している間に前記相関を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載のＰＭセンサの制御装置。
【請求項４】
前記ＰＭ検出素子は、アルミナ基板と当該アルミナ基板に設けられた一対の電極とを備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のＰＭセンサの制御装置。
【請求項５】
前記相関取得手段は、前記排気流速又は前記排気温度の時間変化と前記抵抗測定手段を用いて測定された電気抵抗の時間変化との間の相関係数値を算出し、
前記故障判定手段は、前記相関取得手段によって算出された相関係数値の絶対値が所定の故障判定値以下である場合には前記シールド部材は故障したと判定し、警告灯を点灯することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＰＭセンサの制御装置。
【請求項６】
前記相関取得手段は、
前記排気流速及び前記排気温度の両方又は何れかの時間変化を用いて、前記シールド部材が正常であると仮定した場合における前記ＰＭ検出素子から排気への放熱量の時間変化を推定する放熱量推定手段と、
当該放熱量の時間変化と前記電気抵抗の時間変化との間の相関係数値を算出する相関値算出手段と、を備え、
前記故障判定手段は、前記相関取得手段によって算出された相関係数値の絶対値が所定の故障判定値以下である場合には前記シールド部材は故障したと判定し、警告灯を点灯することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＰＭセンサの制御装置。
【請求項７】
前記抵抗測定手段によって測定された電気抵抗の低下速度が所定の検出閾値より大きい場合には前記排気管内にＰＭが存在すると判定するＰＭ検出手段をさらに備え、
当該ＰＭ検出手段は、前記相関係数値の絶対値が前記故障判定値より大きな値に設定された補正判定値以下でありかつ前記故障判定値より大きい場合には、前記相関係数値の絶対値が前記補正判定値よりも大きい場合より、前記検出閾値を小さな値へ補正することを特徴とする請求項５又は６に記載のＰＭセンサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＭセンサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路には、排気中のＰＭ（いわゆる粒子状物質）を捕集するためのフィルタが設けられる。またこのフィルタの下流側には、フィルタが故障していないかどうかを判定するために排気中のＰＭを検出するＰＭセンサも設けられる。すなわち、フィルタで捕集されるべきＰＭがＰＭセンサによって検出されると、フィルタは故障したと判定される。ＰＭセンサは、電極対が設けられた基板をＰＭ検出素子として用い、このＰＭ検出素子にＰＭが付着することによる静電容量や電気抵抗等の所定の特性値の変化を読み取ることにより、排気中のＰＭを検出する（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
以上のようにＰＭセンサは、主にフィルタの故障を判定するために用いられるが、近年ではＰＭセンサ自体の故障を判定する技術も提案されている。例えば特許文献２には、フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去するフィルタ再生処理の実行直後には一時的にフィルタのＰＭ捕集率が低下することを利用した技術が示されている。すなわち、フィルタ再生処理の実行直後に、ＰＭ捕集率の低下に応じてフィルタの下流側に排出されたＰＭをＰＭセンサで検出できなかった場合には、ＰＭセンサは故障していると判断できる。
【０００４】
またこの他、例えば内燃機関の始動直後に発生する凝縮水を用いた故障判定方法も提案されている。すなわち、凝縮水がＰＭ検出素子に付着するとその特性値は固有の値を示すと考えられるところ、凝縮水がＰＭ検出素子に付着すると考えられる時期にその特性値が固有値を示さない場合には、ＰＭセンサは故障していると判断できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５５３１１４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７５９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、フィルタ再生処理の直後におけるＰＭ捕集率の低下はそれほど大きいものではないため、特許文献２の方法では十分な精度でＰＭセンサの故障を検知できない場合がある。また凝縮水を用いた方法では、ＰＭ検出素子に凝縮水を付着させる必要があるため、電極対が設けられる基板上に析出物（例えば、凝縮水に溶けたアッシュ等）が発生したり、電極対の腐食等の不具合が発生したりするおそれがある。
【０００７】
本発明は、ＰＭ検出素子を損傷させることなくかつ高い精度で故障を検知できるＰＭセンサの制御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】
【０００８】
（１）本発明のＰＭセンサ（例えば、後述のＰＭセンサ５）は、排気中のＰＭが付着するＰＭ検出素子（例えば、後述のＰＭ検出素子５１）と、当該ＰＭ検出素子を保護するとともに内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気管（例えば、後述の排気管２２）内を流れる排気の一部を前記ＰＭ検出素子へ導入するシールド部材（例えば、後述のシールド部材５３）と、前記ＰＭ検出素子を加熱するヒータ（例えば、後述のヒータ５１５）と、を備える。本発明のＰＭセンサの制御装置は、前記ヒータを用いて前記ＰＭ検出素子の温度をＰＭ燃焼温度より高くする加熱手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記ＰＭ検出素子の電気抵抗を測定する抵抗測定手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記加熱手段によって加熱されている間における前記排気管内の排気流速及び排気温度の両方又は何れかの時間変化（Ｖ（ｉ），Ｔ（ｉ），（ｉ＝０，…，Ｎ））と前記抵抗測定手段を用いて測定された電気抵抗の時間変化（Ｒ（ｉ），ｉ＝０，…，Ｎ）との間の相関を取得する相関取得手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記取得された相関を用いて前記シールド部材の故障を判定する故障判定手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、を備える。
【０００９】
（２）この場合、前記加熱手段は、前記相関取得手段によって前記相関を取得している間は前記ヒータで発生する熱量を一定にすることが好ましい。
【００１０】
（３）この場合、前記故障判定手段は、前記加熱手段による加熱を開始してから前記ＰＭ検出素子に付着していたＰＭが除去された後、当該加熱手段による加熱を継続している間に前記相関を取得することが好ましい。
【００１１】
（４）この場合、前記ＰＭ検出素子は、アルミナ基板と当該アルミナ基板に設けられた一対の電極とを備えることが好ましい。
【００１２】
（５）この場合、前記相関取得手段は、前記排気流速又は前記排気温度の時間変化と前記抵抗測定手段を用いて測定された電気抵抗の時間変化との間の相関係数値（Ｃｒ）を算出し、前記故障判定手段は、前記相関取得手段によって算出された相関係数値の絶対値が所定の故障判定値（Ｃｒ＿ＮＧ）以下である場合には前記シールド部材は故障したと判定し、警告灯（例えば、後述の警告灯８）を点灯することが好ましい。
【００１３】
（６）この場合、前記相関取得手段は、前記排気流速及び前記排気温度の両方又は何れかの時間変化を用いて、前記シールド部材が正常であると仮定した場合における前記ＰＭ検出素子から排気への放熱量の時間変化を推定する放熱量推定手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、当該放熱量の時間変化と前記電気抵抗の時間変化との間の相関係数値（Ｃｒ）を算出する相関値算出手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、を備え、前記故障判定手段は、前記相関取得手段によって算出された相関係数値の絶対値が所定の故障判定値（Ｃｒ＿ＮＧ）以下である場合には前記シールド部材は故障したと判定し、警告灯（例えば、後述の警告灯８）を点灯することが好ましい。
【００１４】
（７）この場合、前記制御装置は、前記抵抗測定手段によって測定された電気抵抗の低下速度（ΔＲ）が所定の検出閾値（ΔＲ＿ｔｈ）より大きい場合には前記排気管内にＰＭが存在すると判定するＰＭ検出手段（例えば、後述のＥＣＵ６）をさらに備え、当該ＰＭ検出手段は、前記相関係数値の絶対値が前記故障判定値（Ｃｒ＿ＮＧ）より大きな値に設定された補正判定値（Ｃｒ＿ｃｏｒｒ）以下でありかつ前記故障判定値より大きい場合には、前記相関係数値の絶対値が前記補正判定値よりも大きい場合より、前記検出閾値を小さな値へ補正することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
（１）排気管内を流れる排気の一部はシールド部材によってＰＭ検出素子に導かれる。そして排気中にＰＭが含まれている場合には、その一部がＰＭ検出素子に付着する。ＰＭは導電性があるため、ＰＭ検出素子に付着するとその電気抵抗が変化する。ＰＭセンサは、このようなＰＭの付着に起因する電気抵抗の変化を利用して排気管内のＰＭを検出したり、排気のＰＭ濃度を推定したりする。またＰＭ検出素子の電気抵抗は、その材料に固有の温度特性がある。つまり、ＰＭ検出素子の電気抵抗は、付着するＰＭの量だけでなくその温度によって変化する。このため、排気管内の排気流速や排気温度が変化すると、シールド部材の内部に導入される排気の状態が変化し、ひいてはＰＭ検出素子の温度及び電気抵抗も変化する。このため、シールド部材に故障（例えば、シールド部材の詰まり、脱落、変形等）が生じ、ＰＭ検出素子の周囲における排気の温度や流速が変化すると、ＰＭ検出素子から排気へ放出される熱量も変化する。このため、シールド部材が正常である状態と故障した状態とでは、排気管内を流れる排気流速や排気温度とＰＭ検出素子の電気抵抗との間の相関関係も変化する。
【００１６】
本発明ではこれを利用して、ＰＭ検出素子がＰＭ燃焼温度より高くなるように加熱されている間に、排気管内の排気流速及び排気温度の両方又は何れか（以下、これらをまとめて「排気の状態」ともいう）の時間変化と電気抵抗の時間変化との間の相関を取得し、これを用いてシールド部材の故障を判定する。ここで排気の状態の時間変化と電気抵抗の時間変化との間の相関とは、対象とする物理量の間の具体的な相関係数値に限らず、これら物理量の時間変化の類似性を意味する。本発明によれば凝縮水を積極的に付着させる必要が無いので、ＰＭ検出素子を損傷させることなく故障を判定できる。また本発明では、ＰＭ検出素子の温度をＰＭ燃焼温度より高くすることにより、ＰＭ検出素子にはＰＭが付着していない状態で相関を取得することができるので、ＰＭの存在による電気抵抗への影響を考慮する必要が無く、高い精度で故障を判定できる。
【００１７】
（２）本発明では、排気の状態の時間変化と電気抵抗の時間変化との間の相関を取得している間は、ヒータで発生する熱量を一定にする。上記のように本発明ではシールド部材が故障すると、ＰＭ検出素子から排気へ放出される熱量が変化し、ひいては排気の状態と電気抵抗との間の相関関係が変化することを利用している。従って、ヒータで発生する熱量の変動は上記相関を取得する際のノイズとなる。本発明では、ヒータで発生する熱量を一定にしながら相関を取得することにより、精度良く故障を判定できる。
【００１８】
（３）本発明では、加熱手段を用いてＰＭ検出素子に付着していたＰＭが除去された後、加熱手段による加熱を継続している間に上記相関を取得する。これにより、ＰＭ検出素子には確実にＰＭが付着していない状態で相関を取得できるので、故障の判定精度をさらに向上できる。また、ＰＭセンサはＰＭ検出素子に付着したＰＭを燃焼除去するため、定期的にＰＭ検出素子を加熱する再生処理が実行される。本発明では、定期的に実行される再生処理に継続して相関を取得することにより、故障判定に必要なエネルギーを抑制することができる。
【００１９】
（４）アルミナの電気抵抗率は、常温では１０１４［Ωｃｍ］程度であり絶縁性が高くＰＭを検出するための電極を設けるための基板として好ましい特性を有するが、ＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）では１０６［Ωｃｍ］程度まで低下する。このためＰＭ検出素子の温度がＰＭ燃焼温度を超えると、排気の状態の変化に対する電気抵抗の感度が高くなるため、上記相関を精度良く測定できる。本発明では、ＰＭ検出素子の電極が設けられる基板としてアルミナ基板を用いることにより、ＰＭ燃焼温度以下ではＰＭセンサとして必要な機能を確保しつつ、ＰＭ燃焼温度以上では精度良くその故障を判定できる。
【００２０】
（５）本発明では、排気流速又は排気温度の時間変化と電気抵抗の時間変化との間の相関係数値の絶対値が故障判定値以下である場合、すなわち排気の状態と電気抵抗との間の相関が故障判定値で特徴付けられる基準よりも弱い場合には、シールド部材は故障したと判定し、警告灯を点灯する。本発明では、排気の状態と電気抵抗との間の相関を、相関係数値によって具体的に数値化することにより、故障の度合いまで判定することができる。
【００２１】
（６）本発明では、排気の状態を用いることによってＰＭ検出素子から排気への放熱量の時間変化を推定し、これを用いてＰＭ検出素子から排気への放熱量の時間変化と電気抵抗の時間変化との間の相関係数値を算出する。ＰＭ検出素子の電気抵抗は、その温度変化、すなわち放熱量とより直接的な相関関係がある。本発明では、このように直接的な相関関係がある放熱量を用いることにより、精度良くシールド部材の故障を判定できる。
【００２２】
（７）排気管内のＰＭ濃度が上昇すると、より多くのＰＭがＰＭ検出素子に付着するため、電気抵抗は速く低下する。本発明ではこのようなＰＭ濃度と電気抵抗との間の相関関係を利用して、ＰＭ検出素子の電気抵抗の低下速度が所定の検出閾値より大きい場合に、排気管内にＰＭが存在すると判定する。ここで例えば、シールド部材内に小さな異物が付着し、所定の基準状態（例えば、新品の状態）よりも排気が流れにくくなり、電気抵抗の低下速度も遅くなる。そこで本発明では、相関係数値の絶対値が補正判定値以下でありかつ故障判定値より大きい場合には、補正判定値よりも大きい場合より、検出閾値を小さな値へ補正する。これにより、シールド部材において排気の流れが僅かに悪化したとしても、精度良くＰＭを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るＰＭセンサの故障判定装置が適用された排気浄化システムの構成を示す図である。
【図２】ＰＭセンサの側面図である。
【図３】ＰＭセンサのＰＭ検出素子の先端部分の平面図である。
【図４】ＰＭセンサのＰＭ検出素子の先端部分の断面図である。
【図５】ＥＣＵによるＰＭセンサの運転サイクルを模式的に示す図である。
【図６】ＥＣＵによってＰＭセンサのヒータをオン／オフする手順を示すフローチャートである。
【図７】再生処理が終了した直後におけるＰＭ検出素子の等価回路を示す図である。
【図８】排気の状態−電気抵抗間の相関関係を説明するための図である。
【図９】ＰＭセンサの故障判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１０】ＰＭセンサを用いて排気管内のＰＭを検出する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】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＰＭセンサとその制御装置が適用された内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システムＳの構成を示す図である。
【００２５】
排気浄化システムＳは、エンジン１の排気管２２に設けられ排気を浄化する排気浄化触媒３と、排気浄化触媒３の下流側に設けられ排気中の粒子状物質（以下、「ＰＭ」という）を捕集するフィルタ４と、フィルタ４の下流側に設けられ排気中のＰＭを検出するＰＭセンサ５と、その電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６と、エンジン１の運転状態を検出する複数のセンサ７１，７２と、各種装置の故障をドライバに報知するための警告灯８と、を備える。
【００２６】
エアフローメータ７１は、エンジン１の吸気管２１に設けられ、吸気管２１を通流する吸気の流量を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ６へ送信する。排気管２２を流れる排気の流速は、エアフローメータ７１の出力に基づくＥＣＵ６における演算によって算出される。排気温度センサ７２は、排気管２２のうちフィルタ４の下流側に設けられ、排気管２２を通流する排気の温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ６へ送信する。
【００２７】
図２は、ＰＭセンサ５の側面図である。ＰＭセンサ５は、その表面に排気中のＰＭが付着する平板状のＰＭ検出素子５１と、ＰＭ検出素子５１を支持する棒状のセンサボディ５２と、センサボディ５２の先端側に取り付けられＰＭ検出素子５１を保護するとともに排気管２２を流れる排気の一部をＰＭ検出素子５１へ導入するシールド部材５３と、を備える。
【００２８】
図３は、ＰＭ検出素子５１の先端部分の平面図であり、図４は、ＰＭ検出素子５１の先端部分の断面図である。これら図３及び図４に示すように、ＰＭ検出素子５１は、板状の基板５１１と、この基板５１１の表面に設けられた一対の外周電極５１２及び内周電極５１３と、ヒータ５１５と、を備える。
【００２９】
基板５１１の材料は、常温では良好な絶縁性が確保されかつ温度が高くなるほどその電気抵抗が小さくなる半導体、より具体的にはアルミナが好ましい。ヒータ５１５は、基板５１１の内部に埋め込まれた電熱線である。ヒータ５１５は、電流が流れると発熱し、ＰＭ検出素子５１全体を加熱する。ＥＣＵは、ヒータ５１５の発熱量、すなわちヒータ５１５を流れる電流をＰＷＭ制御によって調節する。
【００３０】
外周電極５１２は、矩形状の基板５１１の表面を外周縁近傍に沿って設けられ、内周電極５１３は、基板５１１の表面を外周電極５１２の内側に沿って設けられる。これら電極５１２，５１３は、それぞれ櫛歯状の櫛歯電極５１２ａ，５１３ａを備える。櫛歯電極５１２ａ，５１３ａは、各々の歯が互い違いに噛み合うようにかつ互いに所定の電極間距離だけ離間するように基板５１１の表面に設けられる。電極５１２，５１３の材料には、例えばＰｔが用いられるが、これに限らない。なお以下では、ＰＭ検出素子５１又は基板５１１のうち電極５１２，５１３が設けられる面を検出面５１ａという。
【００３１】
これら電極５１２，５１３の一方の端子は、電極間の電気抵抗をＥＣＵによって測定するために、ＥＣＵに接続される測定端子５１２ｃ，５１３ｃとなっている。またこれら電極５１２，５１３の他方の端子は、ヒータ５１５の加熱領域から十分に離れた位置、すなわち排気の状態やヒータ５１５の熱的な影響を受けない位置に設けられた所定の大きさのバイアス抵抗５１４を介して互いに接続されている。図２に戻り、以上のように形成されたＰＭ検出素子５１は、その検出面５１ａを排気の下流側へ向けた状態でセンサボディ５２に固定される。
【００３２】
シールド部材５３は、ＰＭ検出素子５１の側面を覆うアウター部材５４と、アウター部材５４の内側に設けられインナー部材５５と、を組み合わせて構成される。
【００３３】
インナー部材５５は、ＰＭ検出素子５１の延在方向に沿ってセンサボディ５２側から排気管２２の中心側へ向かって延びる円筒状である。インナー部材５５のうち検出面５１ａに対向する部分には、ＰＭ検出素子５１の延在方向に対して傾いた傾斜部５５ａが形成されており、またこの傾斜部５５ａには排気導入孔５５ｂが形成されている。
【００３４】
アウター部材５４は、センサボディ５２側から排気管２２の中心側へ向かって延びる円筒状である。より具体的には、アウター部材５４は、排気管２２内を流れる排気の通流方向に対し所定の角度（例えば、図２に示すように４５°）で傾斜するようにその先端部が切り落とされた切頭円筒状である。アウター部材５４は、その先端開口部５４ａが排気の上流側へ向くようにセンサボディ５２の先端部に固定される。またアウター部材５４の基端側であってＰＭ検出素子５１の近傍には、先端開口部５４ａとは逆向き、すなわち排気の下流側へ向いた貫通孔５４ｂが形成されている。
【００３５】
以上のように構成されたシールド部材５３によれば、排気管２２を流れる排気の一部は、先ず先端開口部５４ａを介してアウター部材５４の内部へ流入し、排気導入孔５５ｂを介してインナー部材５５の内部へ流入し、ＰＭ検出素子５１の検出面５１ａを経由し、アウター部材５４の貫通孔５４ｂを介してアウター部材５４の外部へ流出する。したがって排気管２２を流れる排気中にＰＭが含まれていた場合、そのうちの一部はＰＭ検出素子５１の検出面５１ａに付着し、ＰＭ検出素子の電気抵抗を変化させる。ＥＣＵは、ＰＭ検出素子の電気抵抗及びその変化を測定することにより、排気管２２内を通流する排気中に含まれるＰＭを検出する。
【００３６】
図５は、ＥＣＵによるＰＭセンサの運転サイクルを模式的に示す図である。図５には、所定のＰＭ濃度の排気中にＰＭセンサを晒したときにおける電気抵抗の変化を示す図である。図５に示すように、ＰＭセンサの運転サイクルは、反応期間Ｃ１と、再生期間Ｃ２と、不感期間Ｃ３と、によって構成される。
【００３７】
ＰＭ検出素子の検出面に排気中のＰＭが付着すると、これがキャリアとなり２つの電極間の電気抵抗が低下する。反応期間Ｃ１とは、検出面にＰＭが付着するとその分だけ電気抵抗が低下する期間をいう。換言すれば、反応期間Ｃ１とは、検出面へのＰＭの付着と電気抵抗の低下との間で有意な相関が表れる期間をいう。排気中のＰＭ濃度が高くなるほど、ＰＭ検出素子に付着するＰＭの単位時間当たりの量も増加するため、電気抵抗の低下速度も速くなる。したがって、電気抵抗の低下速度と所定の検出閾値とを比較することにより、排気管内におけるＰＭの有無を判定することができる。ＥＣＵは、この反応期間Ｃ１を利用して、ＰＭ検出素子の電気抵抗の測定を介して排気管を通流する排気に含まれるＰＭを検出する。なお、ＥＣＵにおいて、排気中のＰＭを検出する具体的な手順については、後に図１０を参照して説明する。
【００３８】
検出面に付着させることができるＰＭの量には限界がある。また図５に示すように、ＰＭの付着と電気抵抗の低下との間の相関は、ＰＭの付着量が限界に近づくに従って弱くなり、ＰＭを検出することができなくなる。従って検出面にある程度の量のＰＭが付着したら、これを強制的に除去し、再びＰＭを検出できる状態にする必要がある。ＥＣＵは、電極間の電気抵抗値がＰＭの付着量の限界の近傍に定められた所定の再生閾値以下になった場合には、ＰＭを除去すべき時期に達したと判断し、ヒータに通電してＰＭ検出素子の温度をＰＭの燃焼温度より高くし、付着したＰＭを燃焼除去する再生処理を実行する。再生期間Ｃ２とは、このような再生処理を行うためにＰＭ検出素子をＰＭ燃焼温度より高い温度まで加熱する期間をいう。なお、後に図６を参照して説明するようにこの再生期間Ｃ２では、ＰＭ検出素子を昇温することに伴い、再生処理の他、シールド部材の故障の有無を判定する故障判定処理も併せて実行する。
【００３９】
再生処理が終了し、付着していたＰＭが除去されると、電極間の電気抵抗は再生処理前よりも高くなり、再びＰＭを検出できる状態になる。しかしながら、図５に示すように再生処理の終了直後の所定期間は、ＰＭが付着しても電気抵抗はほとんど低下しない。不感期間Ｃ３とは、このような検出面へのＰＭの付着と電気抵抗の低下との間で有意な相関が表れない再生処理の終了直後の所定期間をいう。再生処理が終了した直後は、ＰＭは検出面の全面にわたり疎らに付着するため、付着したＰＭは電極間を導通するキャリアとしてほとんど機能しない。したがってＰＭセンサは、この不感期間Ｃ３を経過した後、換言すれば検出面にある程度の量のＰＭが付着した後でなければ、ＰＭを検出することはできない。
【００４０】
ところで、シールド部材５３における排気の通路内に異物が詰まった場合、シールド部材５３が腐食してしまった場合、或いはシールド部材５３が折れ曲がってしまい排気の通路が閉塞してしまった場合等、シールド部材５３が故障した場合には、適切な量の排気をＰＭ検出素子の検出面に導くことができず、精度良くＰＭを検出できなくなってしまう。ＥＣＵは、上述の再生期間Ｃ１を利用してシールド部材５３が故障していないかどうかを判定する（後述の図７〜図９参照）。
【００４１】
図６は、ＥＣＵによってＰＭセンサのヒータをオン／オフする手順を示すフローチャートである。図６の処理は、エンジンを始動し、ＰＭセンサが使用可能な状態になった後、ＥＣＵにおいて所定の周期で実行される。
【００４２】
初めにＳ１では、ＥＣＵは、加熱要求フラグＦ＿ｈｅａｔが１であるか否かを判定する。フラグＦ＿ｈｅａｔは、ＰＭセンサの再生処理及びこの再生処理が終了した直後に引き続き実行される故障判定処理を実行するためにヒータによる加熱が要求された状態であることを示すフラグである。フラグＦ＿ｈｅａｔは、後述のＳ４において“０”から“１”にセットされ、その後Ｓ２７において“１”から“０”にリセットされるようになっている。
【００４３】
Ｓ１の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、現在のＰＭ検出素子の電気抵抗値Ｒ＿ｐｍを取得する（Ｓ２参照）。そしてＥＣＵは、抵抗値Ｒ＿ｐｍが所定の再生閾値Ｒ＿ｓｔ以下であるか否かを判定する（Ｓ３参照）。ここで再生閾値Ｒ＿ｓｔの具体的な値は、図５を参照して説明したように、検出面へのＰＭ付着量の限界の近傍に相当する値に定められる。
【００４４】
Ｓ３の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、まだ再生処理を実行する必要は無いと判断し、ヒータをオフにしたまま図６の処理を終了する（Ｓ７参照）。またＳ３の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、ＰＭセンサの再生処理を開始すべく、フラグＦ＿ｈｅａｔを“１”にし（Ｓ４参照）、再生処理を開始してから経過した時間を測定するためのカウンタを初期値（例えば、０）からスタートし（Ｓ５参照）、さらにヒータをオンにし（Ｓ６参照）、図６の処理を終了する。
【００４５】
Ｓ１の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ５で測定を開始したカウンタ値Ｃが、再生処理の終了時期を特定するために予め定められた再生終了閾値Ｃ＿ａ以下であるか否かを判定する（Ｓ８参照）。Ｓ８の判定がＹＥＳである場合、すなわち再生処理を開始してから閾値Ｃ＿ａに相当する時間が経過していない場合には、ヒータをオンにしたまま図６の処理を終了する（Ｓ６参照）。ここで、再生処理を行う際におけるヒータへの駆動電流のデューティ比は、ヒータによって加熱されたＰＭ検出素子の温度が、ＰＭの燃焼温度（例えば、約６００℃程度）以上の範囲内で維持されるように設定される。
【００４６】
またＳ８の判定がＮＯである場合、すなわち再生処理を開始してから閾値Ｃ＿ａに相当する時間が経過した後は、ＥＣＵは、上記再生処理に引き続きヒータをオンにしたまま（Ｓ９参照）、後に図８を参照して説明する故障判定処理を実行し（Ｓ１０参照）、図６の処理を終了する。したがって、Ｓ１０の故障判定処理は、ヒータによる加熱を開始してからＰＭ検出素子に付着していたＰＭが除去された後、ヒータによる加熱を継続している間に実行される。ここで、Ｓ１０の故障判定処理を行う際におけるヒータへの駆動電流のデューティ比は、Ｓ８の再生処理の実行時における設定値と同じ値でもよいし、この設定値と異なる値でもよい。ただし、Ｓ１０の故障判定処理を行っている間は、ヒータで発生する熱量が一定になるように駆動電流のデューティ比は固定値とすることが好ましい。またＳ１０の故障判定処理を行う際におけるヒータの駆動電流のデューティ比の大きさは、ヒータによって加熱されたＰＭ検出素子の温度が、ＰＭ燃焼温度以上の範囲内で維持されるように予め定められた値に設定される。
【００４７】
次に、図７及び図８を参照して、Ｓ１０の故障判定処理の概念について説明する。
図７は、再生処理が終了した後（すなわち、カウンタ値Ｃが閾値Ｃ＿ａを超えた直後）、ヒータによる加熱を継続している間におけるＰＭ検出素子の等価回路を示す図である。図７に示すように、再生処理が完了した直後には、電流のキャリアとなるＰＭが存在していないため、ＰＭ検出素子は、バイアス抵抗（抵抗値Ｒ＿ｂｉａｓ）と、電極対が離間して設けられるアルミナ基板による抵抗（抵抗値Ｒ＿ｓｕｂ）とを並列で接続したものと等価になる。また、上述のようにバイアス抵抗は排気やヒータの熱的な影響を受けない位置に設けられているため、その抵抗値Ｒ＿ｂｉａｓは基本的には固定値である。これに対しＰＭ検出素子のアルミナ基板はシールド部材内の排気の経路に設けられているため、その抵抗値Ｒ＿ｓｕｂは、その温度によって変化する。このため、再生処理が終了した直後におけるＰＭ検出素子全体の電気抵抗は、アルミナ基板の温度によって変化する。
【００４８】
図８は、排気の状態−電気抵抗間の相関関係を説明するための図である。より具体的には、図８の右側はアルミナの電気抵抗率［Ωｃｍ］の温度特性を示す図であり、図８の左側は再生処理が終了した後にヒータによる加熱を継続している間においてＥＣＵによって測定されたＰＭ検出素子の電気抵抗、排気温度、及び排気流速の時間変化を模式的に示す図である。
【００４９】
図８の右側に示すように、アルミナの電気抵抗率は、常温では１０１４［Ωｃｍ］程度であり絶縁性が高くＰＭを検出するための電極を設けるための基板として好ましい特性を有する。またアルミナの電気抵抗率は、温度が高くなる程低下する特性があり、かつＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）では、ＥＣＵによって精度良く測定できる１０６［Ωｃｍ］程度まで低下する。したがって、ヒータで加熱することによってＰＭ検出素子の温度がＰＭ燃焼温度以上の範囲内に維持されている間は、図８の左側上段に示すようにＥＣＵによってＰＭ検出素子の電気抵抗の時間変化を取得することができる。また図８の矢印８１に示すように、ＥＣＵによって取得される電気抵抗の変化は、アルミナ基板の温度が変化することによって引き起こされた事象であると言える。
【００５０】
またアルミナ基板の温度は、主に、ヒータの発熱量と、アルミナ基板の排気への放熱量とによって変化する。ヒータの発熱量はヒータの駆動電流のデューティ比によって変化し、アルミナ基板の排気への放熱量はアルミナ基板の近傍における排気の流速や温度等によって変化する。またシールド部材が正常な状態であれば、排気管内を通流する排気の一部がアルミナ基板の近傍へ導入される。したがって、図８の矢印８２に示すように、一定の発熱量の下で加熱している間におけるアルミナ基板の温度の変化は、排気管内を通流する排気の温度や流速が変化することによって引き起こされた事象であると言える。また、図８の左側下段に示すように、排気管内の排気温度や排気流速の時間変化は、排気温度センサやエアフローメータからの出力に基づいてＥＣＵによって取得することができる。
【００５１】
したがって以上をまとめると、シールド部材が正常な状態であれば、排気の状態の変化はアルミナ基板の温度の変化を引き起こし（図８の矢印８２参照）、さらにアルミナ基板の温度変化はＰＭ検出素子の電気抵抗の変化を引き起こす（図８の矢印８１参照）ので、排気の状態の時間変化（図８の左側の下段）とＰＭ検出素子の電気抵抗の時間変化（図８の左側の上段）との間では有意な相関が認められる。これに対し、シールド部材に上述のような故障が生じると、排気管内の排気はアルミナ基板の近傍へ適切に導入されなくなるので、排気の状態の変化はアルミナ基板の温度の変化を引き起こさなくなる（図８の矢印８２参照）。このため、シールド部材が正常な状態では認められていた排気の状態の時間変化（図８の左側の下段）とＰＭ検出素子の電気抵抗の時間変化（図８の左側の上段）との間の相関が無くなる。したがって、排気の状態の時間変化とＰＭ検出素子の電気抵抗の時間変化との間の相関の有無を判定することにより、間接的にシールド部材の故障を判定することができる。
【００５２】
以下で説明する故障判定処理は、以上のような現象を利用してシールド部材の故障を判定する処理である。すなわち、再生処理が終わった後の所定期間の間におけるＰＭ検出素子の電気抵抗の時間変化と排気管内の排気の状態の時間変化との間の相関を用いることによって、シールド部材の故障を判定する。
【００５３】
図９は、ＥＣＵによる故障判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。図９に示すように、故障判定処理は、ヒータによる加熱を継続している所定の期間内における電気抵抗、排気温度、及び排気流速の時間変化に関するデータを取得する処理（Ｓ２２）と、ここで取得したデータを用いることにより、排気の状態−電気抵抗間の相関を取得し、取得した相関を用いてシールド部材の故障を判定する処理（Ｓ２３〜Ｓ３０）と、に分けられる。
【００５４】
始めにＥＣＵは、Ｓ５でスタートしたカウンタ値Ｃが、データを取得する期間の終期を特定するために予め定められた故障判定終了閾値Ｃ＿ｂ以下であるか否かを判定する。この閾値Ｃ＿ｂは、上記閾値Ｃ＿ａよりも大きな値に設定される。したがって、タイマ値Ｃが閾値Ｃ＿ａを超えてから閾値Ｃ＿ｂを超えるまでの間が、ヒータによる加熱を継続しながら、故障判定に必要なデータを取得するデータ取得期間に相当する。
【００５５】
Ｓ２１の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、ＰＭ検出素子の電気抵抗、並びに排気管を流れる排気の流速及び温度をそれぞれ取得し（Ｓ２２参照）、図８の処理を終了する。取得した電気抵抗、排気流速、及び排気温度の値は、それぞれ所定のバッファに記憶される。またこの処理を繰り返し行うことにより、再生処理が終了した後の所定の期間にわたり、電気抵抗、排気流速、及び排気温度のそれぞれの時間変化が離散化されたデータとして取得される。以下では、タイマ値Ｃが閾値Ｃ＿ａからＣ＿ｂまで変化するまでの間の各時刻ｉ（ｉ＝０，１，…Ｎ）において、Ｓ２２の処理によって取得された電気抵抗値、排気流速値、排気温度値をそれぞれＲ（ｉ）、Ｖ（ｉ）、及びＴ（ｉ）と表記する。
【００５６】
Ｓ２１の判定がＮＯである場合、すなわち再生処理が終了した直後のデータ取得期間にわたり電気抵抗値等のデータの取得が完了した場合には、ＥＣＵは、Ｓ２３に移る。Ｓ２３では、ＥＣＵは、データ取得期間の間で取得したデータ（Ｒ（ｉ）、Ｖ（ｉ）、及びＴ（ｉ）、ｉ＝０，…Ｎ）を用いることによって、データ取得期間における排気流速及び排気温度の両方又は何れかの時間変化と、電気抵抗の時間変化との間の相関を取得する。より具体的には、ＥＣＵは、取得したデータＲ（ｉ）、Ｖ（ｉ）、及びＴ（ｉ）を用いることによって、排気の状態−電気抵抗間の相関の強さを数値化した相関係数値Ｃｒを既知の方法によって算出する。なお以下では、相関係数値Ｃｒの３つの例について説明するが、本発明はこれらに限るものではない。
【００５７】
先ず、排気管を流れる排気の温度が高くなると、シールド部材を介してＰＭ検出素子へ導入される排気の温度も高くなるため、ＰＭ検出素子の放熱量（すなわち、ＰＭ検出素子から排気へ単位時間当たりに放出される熱量）は小さくなる。すなわち、排気温度の上昇は、ＰＭ検出素子の温度の上昇ひいては電気抵抗の低下に寄与する。したがって、データ取得期間における排気温度の時間変化及び電気抵抗の時間変化を用いて下記式（１）によって算出される相関係数値Ｃｒの絶対値は、排気の状態−電気抵抗間の相関の強さを数値化したものであると言える。下記式（１）において、“Ｒ＿ａｖｅ”及び“Ｔ＿ａｖｅ”は、それぞれ電気抵抗及び排気温度の平均値である。
【数１】
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【００５８】
また、排気管を流れる排気の流速が大きくなると、シールド部材を介してＰＭ検出素子へ導入される排気の流速も大きくなるため、ＰＭ検出素子の放熱量は大きくなる。すなわち、排気流速の増加は、ＰＭ検出素子の温度の低下ひいては電気抵抗の上昇に寄与する。したがって、データ取得期間における排気流速の時間変化及び電気抵抗の時間変化を用いて下記式（２）によって算出される相関係数値Ｃｒの絶対値は、排気の状態−電気抵抗間の相関の強さを数値化したものであると言える。下記式（２）において、“Ｖ＿ａｖｅ”は、排気流速の平均値である。
【数２】
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【００５９】
以上のようにＰＭ検出素子の放熱量の増加は、ＰＭ検出素子の温度の低下ひいては電気抵抗の上昇に寄与する。またシールド部材が正常であると仮定すれば、データ取得期間における排気流速及び排気温度の時間変化（Ｖ（ｉ）及びＴ（ｉ）、ｉ＝０，…Ｎ）やアルミナ基板の比熱等を用いることによって、データ取得期間におけるＰＭ検出素子の放熱量の時間変化（Ｑ（ｉ）、ｉ＝０，…Ｎ）を推定することができる。したがって、このようにして推定したデータ取得期間におけるＰＭ検出素子の放熱量の時間変化を用いて下記式（３）によって算出される相関係数値Ｃｒの絶対値は、排気の状態−電気抵抗間の相関の強さを数値化したものであると言える。下記式（３）において、“Ｑ＿ａｖｅ”は、放熱量の平均値である。
【数３】
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【００６０】
Ｓ２３では、ＥＣＵは、例えば以上のような３種類のうちの何れかに基づいて相関係数値Ｃｒを算出する。Ｓ２４では、ＥＣＵは、排気の状態−電気抵抗間で相関があるか否か、より具体的にはＳ２３で算出した相関値Ｃｒの絶対値が所定の故障判定値Ｃｒ＿ＮＧより大きいか否かを判定する。Ｓ２４の判定がＮＯである場合、すなわち排気の状態−電気抵抗間で十分な大きさの相関が認められない場合には、ＥＣＵは、シールド部材は故障したと判定し、所定の故障フラグＦ＿ＮＧを“１”にし（Ｓ２５参照）、これをドライバに報知すべく警告灯を点灯し（Ｓ２６参照）、フラグＦ＿ｈｅａｔを“０”にリセットし（Ｓ２７参照）、さらにカウンタをリセットし（Ｓ２８参照）、図８の処理を終了する。
【００６１】
Ｓ２４の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、相関値Ｃｒの絶対値が上記故障判定値Ｃｒ＿ＮＧよりも大きな値に設定された補正判定値Ｃｒ＿ｃｏｒｒより大きいか否かを判定する（Ｓ２９参照）。相関値Ｃｒの絶対値は、基本的には、シールド部材が新品である時に最も大きな値となり、その後、汚れによってシールド部材の詰まりが進むに従って小さくなる。したがって、Ｓ２９の判定結果がＮＯの場合（Ｃｒ＿ＮＧ＜Ｃｒ≦Ｃｒ＿ｃｏｒｒ）とは、シールド部材が使用不能な程度に故障したとは言えないまでも、シールド部材の詰まりがある程度進んでおり、シールド部材内のＰＭ検出素子への排気の流れが新品時よりもやや悪化した状態であると言える。
【００６２】
したがってＳ２９の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、ＰＭセンサで精度良くＰＭを検出するためには感度を補正する必要があると判断し、故障フラグＦ＿ＮＧを“０”にしたまま所定の感度補正フラグＦ＿ｃｏｒｒを“１”にし（Ｓ３０参照）、フラグＦ＿ｈｅａｔを“０”にリセットし（Ｓ２７参照）、さらにカウンタをリセットし（Ｓ２８参照）、図８の処理を終了する。
【００６３】
Ｓ２９の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、ＰＭ検出素子への排気の流れは良好であり、上記のような補正は不要であると判断し、フラグＦ＿ＮＧ及びＦ＿ｃｏｒｒを“０”に維持したままフラグＦ＿ｈｅａｔを“０”にリセットし（Ｓ２７参照）、さらにカウンタをリセットし（Ｓ２８参照）、図９の処理を終了する。
【００６４】
図１０は、ＰＭセンサを用いて排気管内のＰＭを検出する手順を示すフローチャートである。図１０の処理は、エンジンを始動し、ＰＭセンサが使用可能な状態になった後、ＥＣＵにおいて所定の周期で実行される。
【００６５】
Ｓ５１では、ＥＣＵは、故障フラグＦ＿ＮＧが“１”であるか否かを判定する。Ｓ５１の判定がＹＥＳである場合には、ＰＭセンサは使用できない状態であるので、以下の処理を行うことなく直ちに図１０の処理を終了する。Ｓ５１の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、予め定められた検出時間にわたるＰＭ検出素子の電気抵抗の低下速度ΔＲを取得する（Ｓ５２参照）。
【００６６】
Ｓ５３では、ＥＣＵは、感度補正フラグＦ＿ｃｏｒｒが“１”であるか否かを判定する（Ｓ５２参照）。Ｓ５３の判定がＮＯである場合、すなわちシールド部材は新品に近く補正が必要ないと判断されている場合には、Ｓ５２で取得した低下速度ΔＲが予め定められた検出閾値ΔＲ＿ｔｈより大きいか否かを判定する（Ｓ５４参照）。Ｓ５４の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、排気管内にＰＭは存在しないと判断し（Ｓ５５参照）、図１０の処理を終了する。一方、Ｓ５４の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、排気管内にＰＭは存在すると判断し（Ｓ５６参照）、図１０の処理を終了する。
【００６７】
Ｓ５３の判定がＹＥＳである場合、すなわちシールド部材の詰まりがある程度進行しており、感度補正が必要であると判断されている場合には、Ｓ５２で取得した低下速度ΔＲが上記Ｓ５４よりも小さな値に補正された検出閾値ΔＲ＿ｔｈ−δ（ここで“δ”は、所定の正の値）より大きいか否かを判定する（Ｓ５７参照）。ＥＣＵは、Ｓ５７の判定がＮＯである場合には排気管内にＰＭは存在しないと判断し（Ｓ５５参照）、Ｓ５７の判定がＹＥＳである場合には排気管内にＰＭは存在すると判断し（Ｓ５６参照）、図１０の処理を終了する。以上のように、感度補正フラグＦ＿ｃｏｒｒが“１”である場合には、シールド部材内の排気の流れが新品状態よりもやや悪化していることに応じて、その分だけ検出閾値は小さな値に補正される。これにより、シールド部材における排気の流れの僅かな悪化によらず精度良くＰＭを検出することができる。
【００６８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
【００６９】
例えば上記実施形態では、排気管内を通流する排気の状態とＰＭ検出素子の電気抵抗との間の相関を取得するために、上記式（１）〜（３）で定義される相関係数値Ｃｒを算出したが、排気の状態−電気抵抗間の相関を取得する手段は、これらに限らない。上述のように、排気温度の上昇は電気抵抗の低下に寄与し、排気流速の増加は電気抵抗の上昇に寄与する。したがって、これら排気の状態−電気抵抗間の相関の有無は、上述のように相関係数値を定義して具体的に数値化せずとも、電気抵抗の時間変化が排気の状態の時間変化に応じたものになっているかどうかによって判定することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１…エンジン（内燃機関）
２２…排気管
５…ＰＭセンサ
５１…ＰＭ検出素子
５１５…ヒータ
５３…シールド部材
６…ＥＣＵ（加熱手段、抵抗測定手段、相関取得手段、故障判定手段、放熱量推定手段、相関値算出手段、ＰＭ検出手段）
８…警告灯
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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