JP2011080439A - パティキュレートフィルタの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【目的】パティキュレートフィルタの異常の有無を判断するための、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気管２にパティキュレートフィルタＤＰＦを設け、異常時にすり抜ける微粒子状物質ＰＭを電気抵抗式のＰＭセンサ１にて検出する。電子制御ユニットＥＣＵは、排出ガス温度Ｔ１とＰＭセンサ１の一対の検出電極１１、１２の温度Ｔ２が等しい第１の温度条件と、Ｔ２＞Ｔ１の第２の温度条件における検出部１００の出力値とを比較して、その差分値が所定値を超えた時に異常と判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用内燃機関の排出ガス中に存在する微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタの異常検出装置に関し、特に、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いて、パティキュレートフィルタをすり抜ける微粒子状物質の量を検出することにより破損等の異常を検出する装置に関するものである。

自動車用ディーゼルエンジン等において、排出ガスに含まれる環境汚染物質、特に微粒子状炭素（Ｓｏｏｔ）および可溶性有機成分（ＳＯＦ）を主体とする微粒子状物質（Particulate Matter；以下、適宜ＰＭと称する）を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、適宜ＤＰＦと称する）を設置することが行われている。ＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に排出ガスを通過させてＰＭを捕捉する。さらに、ＰＭ捕集量が規定量を超えると、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気ガスをＤＰＦ内に導入し、ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させる。再生時期の判断には、例えば、ＰＭ捕集量の増加により前後差圧が増大することを利用することができ、差圧センサの検出結果に基づいてＰＭ捕集量を検出している。

一方、特許文献１、２には、排出ガス中のＰＭを直接検出するためのセンサが提案されている。特許文献１、２は、微粒子状炭素が導電性を有することを利用した電気抵抗式のセンサであり、絶縁性を有する基板の表面に、一対の導電性電極を形成した基本構成を有している。このセンサを、ＰＭが含まれる排出ガスの通路に配置すると、検出部となる電極間に、微粒子状炭素が付着することによる抵抗値の変化から、ＰＭを検出することができる。また、特許文献１には、基板の裏面または内部に発熱体を形成し、検出部の温度を４００℃〜６００℃に加熱すると、抵抗変化量が大きく、回復時間が短くなって、検出精度が向上することが開示されている。

そこで、電気抵抗式のセンサをＤＰＦの上流に設置して、ＤＰＦに流入するＰＭ量を測定し、あるいはＤＰＦの下流に設置して、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量を測定することが検討されている。前者は差圧センサに代わる再生時期の判断に、後者は、ＤＰＦの作動状態の監視、劣化や破損等の判断に利用される。近年は、環境汚染防止のために、車載式故障診断装置（ＯＢＤ；On Board Diagnosis）の設置が義務付けられており、後者の重要性が増している。なお、ＰＭを検出する技術としては、他に触媒と熱電対を用いてＰＭの酸化反応による発熱を検出するセンサや、波長可変ダイオードレーザを用いて排出ガスの化学種や温度をモニタリングする方法が知られるが、電気抵抗式のセンサは、簡易な構成で比較的安定した出力が得られる利点がある。

故障診断について、特許文献２には、電気抵抗式のセンサの一対の電極間に、多孔質導電材よりなる検出電極を挿入配置し、常時微量の電流が流れる構成とすることで、より少量のＰＭを検出可能とすることが開示されている。また、特許文献３、４には、ＤＰＦから漏れ出るＰＭ量を測定する電気抵抗式のセンサを含む故障判定システムが提案されている。特許文献３の故障センサは、ＤＰＦに導入されるＰＭ量を決定する上流センサと、ＤＰＦから漏れるＰＭ量を測定する下流センサを備え、上流センサによるＰＭ量を積算してＤＰＦから漏れると推定されるＰＭ量を決定し、下流センサによる測定値との比較から故障を検出する。特許文献４には、ＤＰＦの下流に、ＰＭが付着する電気絶縁層に相互に離間して設けた複数の電極を有するセンサを配置し、複数の電極間の電気抵抗値に相関する指標を計測して、計測値が所定基準より小さくなるとＤＰＦ故障と判定するＥＣＵを備えた故障判定装置が開示されている。

特公平２−４４３８６号公報 特開２００６−２６６９６１号公報 特開２００８−２９８０７１号公報 特開２００９−１４４５７７号公報

ところが、電気抵抗式のセンサは、特許文献１に示されるように、温度依存性があり、検出部の温度に応じて抵抗値が変化する。このため、特許文献２においては、予め周囲の温度変化と電気抵抗の値との関係を求めておき、温度測定部によって得られた温度により検出した電気抵抗の値を補正するようになっている。また、補正した電気抵抗値と初期値との差からＰＭ量を算出するために、予め実験等を行ってＰＭ堆積量と電気抵抗値（もしくは変化量）の関係を調べておく必要があり、さらに、正常な状態での検出量を予め調べて特定しておき、算出したＰＭ量と比較することによって、ＤＰＦによる捕集が正常に行われているかどうかを判断することになる。

しかしながら、エンジンからの排出ガスに含まれるＰＭ量は、運転状態（負荷や回転数）によっても大きく変化する。ＰＭが増加する傾向は、負荷が高くなるほど、例えば、エンジン始動時のような低回転数から高回転数までの全域でＰＭ量が多くなる。また出力領域まで回転数が高くなるとＰＭ量が増加する傾向がある。さらに運転状態によって、排出されるＰＭの性状や粒子分布が変動すると、ＤＰＦをすり抜けるＰＭ量も変動する。そのため、ＤＰＦの性能低下や破損の有無を判定するには、運転状態に対して予め求めておいたＰＭ量マップと現在のＰＭ量を比較することになるが、全運転領域をマップ化することは容易でない。また、ＤＰＦへのＰＭ堆積状態によっても、ＰＭのすり抜け量は変動することから、ＰＭ堆積量との関係もマップ化する必要があり、格納するマップ量を増大する上、故障判定の工程も煩雑になる問題がある。

また、特許文献３には、故障を判定するための具体的な方法が記載されていない。特許文献４の故障判定は、特許文献２と同様に、予め求めておいたＰＭ堆積量と電気抵抗値との関係から、故障判定閾値を求めておくものである。そして、モニタした電極間抵抗値が閾値より小さくなったら軽微な故障とするが、この閾値については、ＯＢＤ基準値を基準にするとされるものの、運転状態等の具体的な記載はなく、同様の問題が生じる懸念がある。

そこで本発明は、内燃機関の排出ガスを処理するＤＰＦの異常の有無を判断するための、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法を提供し、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理の必要がなく、応答性および精度の高い異常検出装置を実現することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、
内燃機関の排気通路に配設されて排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
該パティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
該排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
上記異常検出部は、上記排出ガスの温度をＴ１、上記検出部の上記一対の検出電極の温度をＴ２とした時に、上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１が等しい第１の温度条件における上記検出部の出力値と、上記一対の検出電極の温度Ｔ２が上記排出ガスの温度Ｔ１より高い第２の温度条件における上記検出部の出力値とを比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備える。

本発明の請求項２に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第２の温度条件における上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差が、５０℃〜２００℃の範囲となるように、上記一対の検出電極の温度Ｔ２を設定する。

本発明の請求項３に記載の発明において、上記異常検出部は、上記第２の温度条件における上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差を、上記内燃機関の温度または負荷を含む運転条件に基づいて設定する。

本発明の請求項４に記載の発明において、上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、電気抵抗式の排出微粒子センサを用いた新規な手法によりパティキュレートフィルタの異常検出を行う。パティキュレートフィルタに破損等の異常が生じると、排出ガス中の微粒子状物質がパティキュレートフィルタをすり抜けて、下流の排出微粒子センサに流入する。異常検出部は、排出微粒子センサの検出部をヒータ部によって加熱し、排出ガス温度Ｔ１と検出電極の温度Ｔ２が等しくなるようにした第１の温度条件と、これより検出電極の温度Ｔ２が高くなるようにした第２の温度条件において、それぞれセンサ出力値を得る。ここで、異常時にパティキュレートフィルタをすり抜ける微粒子状物質は比較的粗大な粒子が多く、熱泳動の影響を受けやすいために、第１の温度条件よりも高い第２の温度条件では微粒子状物質が付着しにくくなる。

このため、これら２水準の温度で検出されたセンサ出力値は、パティキュレートフィルタに異常がある場合、その差分値が正常な場合に比べて大きくなる。したがって、これら出力値を比較することで、パティキュレートフィルタが正常に機能しているかどうかを容易に判定することができる。よって、簡易な構成で、大量のマップや煩雑な補正処理が不要であり、応答性よく高精度な異常検出装置を実現できる。

本発明の請求項２に記載の発明のように、具体的には、上記第２の温度条件にて上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差を５０℃以上とすれば、センサ出力値の差分値に基づく異常判定が可能である。また、２００℃を超えても出力値は大きく変わらず、昇温に必要なエネルギーが大きくなるので、適切な温度差に設定することで、効果的に異常検出ができる。

本発明の請求項３に記載の発明のように、好適には、内燃機関の温度あるいは負荷により上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差を設定する。例えば低温または低負荷運転条件では、未燃焼のＨＣが排出されやすく、微粒子状物質も付着しやすくなるので、上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差を小さくすることができ、効率よい検出が可能になる。逆に高負荷運転条件では温度差を大きくする方がよく、精度よい判定を行うことができる。

本発明の請求項４に記載の発明のように、上記排出微粒子センサは、上記絶縁性基体の先端部に上記検出部を形成して排気通路に設置し、その裏面に上記ヒータ部を配置するとよく、効率よく検出部を加熱して高精度な異常判定が可能である。

本発明の第１実施形態において、異常検出部となる電子制御ユニットが備える判定手段の内容を示すフローチャートである。 本発明の異常検出装置が適用されるディーゼルエンジンのシステム全体概略図である。 ＰＭセンサの主要部であるＰＭ検出素子構成を示す図である。 ＰＭセンサを、ディーゼルエンジンの排気管に取り付けた状態を示す図である。 ＰＭ堆積量と電極間抵抗値の関係を示す図である。 ＰＭセンサの検出部の昇温度と抵抗変化率の関係を、正常時と異常時とで比較して示す図である。 ＰＭセンサの検出部の昇温度と抵抗変化率の関係を、排気温度の高い時と低い時とで比較して示す図である。

本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を、内燃機関である自動車用ディーゼルエンジンの排ガス浄化システムへ適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２は、ディーゼルエンジンＥ／Ｇのシステム全体概略図で、各気筒に共通のコモンレールＲに、高圧ポンプＰＭＰにて昇圧した高圧燃料を所定の噴射圧となるように蓄圧するコモンレール燃料噴射システムを採用し、インジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンとして構成されている。内部を排気通路とする排気管２には、パティキュレートフィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦと、排出微粒子センサであるＰＭセンサ１が設けられ、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵとともに、本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置を構成している。図１は、電子制御ユニットＥＣＵによる異常検出処理のフローチャートで、詳細は後述する。

図２において、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨ_ＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢ_ＣＧＲが回転すると、圧縮された空気がインタクーラＣＬＲ_ＩＮＴを通過して吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨ_ＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶ_ＥＧＲおよびＥＧＲクーラＣＬＲ_ＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに還流する。過給により吸気量を増大して燃焼効率を高め、ＥＧＲにより燃焼を緩やかにしてＮＯｘ等の排出を抑制する。

排気マニホールドＭＨ_ＥＸに接続する排気管２には、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣおよびディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが設けられ、燃焼排気ガスを処理する。すなわち、排気管２に排出された燃焼排気ガスは、上流側のディーゼル酸化触媒ＤＯＣを通過する間に、未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯおよび一酸化窒素ＮＯが酸化され、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過する間に、微粒子状物質ＰＭが捕集される。ＮＯｘ除去には、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの後段に、図略の選択触媒還元ＳＣＲ等が設けられて、ＮＯｘをＮ_２とＨ_２Ｏに還元して除去する。

ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは公知のモノリス担体、例えばコーディエライト等のセラミックスハニカム構造体よりなる担体表面に、酸化触媒を担持してなる。ディーゼル酸化触媒ＤＯＣは、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの強制再生時に、供給される燃料の酸化燃焼により排気温度を上昇させ、あるいは微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化除去する。また、ＮＯの酸化により生成するＮＯ_２は、後段のディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの酸化剤として使用され、連続的な酸化を可能にする。

ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは、公知のウォールフロータイプのフィルタ構造を有する。例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスよりなる多孔質セラミックスハニカム構造体を成形し、ガス流路となる多数のセルの入口側または出口側のいずれか一方を、隣接するセルで互い違いになるように目封じしてフィルタとする。この時、ガス流路を区画するセル壁を貫通して多数の細孔が形成され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに導入される排出ガス中の微粒子状物質ＰＭを捕獲する。なお、ここでは、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣとディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを別体に設けているが、これらを一体化した連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタとして構成することもできる。

本実施形態では、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに堆積した微粒子状物質ＰＭの量（ＰＭ捕集量）を知るために、差圧センサＳＰが設けられる。差圧センサＳＰは、圧力導入管を介してディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上流側および下流側と接続されており、その前後差圧に応じた信号を電子制御ユニットＥＣＵに出力する。また、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣの上流および、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの上下流には、温度センサＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が配設されて、各部の排気温度を監視している。電子制御ユニットＥＣＵは、これら出力に基づいてディーゼル酸化触媒ＤＯＣの触媒活性状態やディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦのＰＭ捕集状態を監視し、ＰＭ捕集量が許容量を超えると、強制再生を行って微粒子状物質ＰＭを燃焼除去する再生制御を実施する。

電子制御ユニットＥＣＵによる再生制御では、例えばポスト噴射等を行って排気中のＨＣを増量し、ディーゼル酸化触媒ＤＯＣでのＨＣ反応熱によりディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの温度を、微粒子状物質ＰＭの燃焼温度以上に上昇させる。この時、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの入ガス温度、出ガス温度を監視して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが所定の温度範囲となるように制御する。微粒子状物質ＰＭが自然燃焼可能な運転条件では、再生制御を実施しない設定とすることで、燃料消費を抑制することもできる。電子制御ユニットＥＣＵは、さらに図示しない各種センサからの検出信号が入力しており、これら信号に基づく最適な燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等を算出して、燃料噴射を制御する。

ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの下流の排気管２には、ＰＭセンサ１が配置されて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭを検出する。図３は、ＰＭセンサ１の主要部であるＰＭ検出素子１０を示す図であり、図４は、ＰＭ検出素子部１０を含むＰＭセンサ１を排気管２に取り付けた状態を示す図である。図３において、ＰＭ検出素子１０は、絶縁性基体である絶縁基板１３表面に一対の検出電極１１、１２を形成した検出部１００と、一対の検出電極１１、１２と外部の抵抗計測手段とを導通させるリード部１１１、１２１と、検出部１００の裏面側に積層されて、これを所定温度に加熱するためのヒータ部３００を有している。

検出部１００は、アルミナ等の電気絶縁性および耐熱性に優れたセラミック材料をドクターブレード法、プレス成形法等の公知の手法を用いて平板状の絶縁基板１３に形成し、その先端部表面に、所定の電極間距離をおいて一対の櫛歯形状の検出電極１１、１２を対向配設させてなる。検出電極１１、１２は、例えば白金等の貴金属を含む導電性ペーストを、所定のパターンに印刷して形成される。ヒータ部３００は、同様にして形成した平板状の絶縁基板３３と、その先端部表面に所定パターンで形成したヒータ電極３０からなり、リード部３１、３２によって外部の通電手段に接続されている。

図４において、ＰＭセンサ１は、排気管２の管壁２０に螺結される筒状ハウジング５０を有し、その内部に筒状インシュレータ６０に挿入固定されたＰＭ検出素子１０の上半部を保持している。ＰＭ検出素子１０の下半部は、筒状ハウジング５０の下端部に固定されて排気管２内に突出する中空のカバー体４０内に位置している。カバー体４０の底部および側部には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過した微粒子状物質ＰＭを含む排出ガスが流通する孔４１０、４１１が穿設されている。

この時、微粒子状物質ＰＭを確実に捕捉するため、図示するように、ＰＭ検出素子１０の検出部１００が排気管２の上流側を向くように配置するとよい。また、検出部１００を除く絶縁基板１３の表面に、リード部１１１、１１２を覆って絶縁性保護層１４を形成すると、リード部１１１、１１２間に微粒子状物質ＰＭが堆積することによる誤検出を防止することができる。

次に、ＰＭセンサ１の基本作動について説明する。図４において、被測定ガスとなる排出ガスは、ＰＭセンサ１のカバー体４０の孔４１０、４１１から内部に導入され、ＰＭ検出素子１０の検出部１００に到達する。図３において、検出部１００の表面には、櫛歯形状の検出電極１１、１２が所定の間隙を有して形成されているので、排出ガスと接触することにより、導電性の微粒子状炭素を含む微粒子状物質ＰＭが付着し徐々に堆積すると、ある時点で検出電極１１、１２間が導通する。図５は、ＰＭ堆積量を一定速度で増加させた時の、検出電極１１、１２間の電気抵抗値の変化を示すもので、略絶縁状態である初期状態には、電極間抵抗は１×１０^７Ω以上となっており、検出電極１１、１２間が導通すると、ＰＭ堆積量の増加に伴い電極間抵抗は急激に低下して１×１０^３Ω程度となる。

ここで、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに、セル壁の破損、溶損といった何らかの不具合が生じて、正常な捕集が困難になると、排出ガスとともに放出される微粒子状物質ＰＭが増加する。そこで、従来は、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間を流れる電流を計測し、ＰＭ堆積量と電気抵抗値の関係に基づいて、故障判定を行っている。例えば、所定期間にディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭが、正常時よりも明らかに多ければ、異常と判断することができる。

ところが、前述したように、検出部１００の温度により電極間抵抗または抵抗変化率は変動する。このため従来の方法では、ヒータ部３００により検出部１００の温度を一定に保持することが前提となる。ただし、運転状態により周囲の排気温度も大きく変動するので、検出部１００を一定温度に保持するのは容易でなく、温度補正が必須となる。また、運転状態によってエンジンＥ／Ｇから排出される微粒子状物質ＰＭの量や性質が変動するので、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜ける微粒子状物質ＰＭの量も増減し、判定閾値を一定値とすると誤判定のおそれがある。あるいは、運転状態に応じたマップを基に補正を行ったり判定閾値を変更したりすることも可能であるが、マップ量が増大する。

本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、このような従来の不具合を解消するために、排気温度をＴ１、検出電極１１、１２の温度をＴ２とし、Ｔ２−Ｔ１を昇温度ΔＴとした時に、ＰＭセンサ１による微粒子状物質ＰＭの検出を、Ｔ２＝Ｔ１（昇温度ΔＴ＝０℃）の第１の温度条件と、Ｔ２−Ｔ１＞０℃の第２の温度条件において実施する。すなわち、第１の温度条件は、排気温度Ｔ１と検出部１００の温度Ｔ２が等しい温度となるように、第２の温度条件は、排気温度Ｔ１より検出部１００の温度Ｔ２が高い温度となるように、ヒータ部３００を制御した場合であり、この２種類に設定した温度条件でのセンサ出力値を比較することで、異常の有無を判断する。

図６は、ＰＭセンサ１の検出部１００の昇温度ΔＴと、初期状態から一定時間経過後のＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲの関係を示している。ここでは、破損等がない正常なディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（正常時）と、内部のセル壁に破損が生じているディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ（ＤＰＦ破損時）を用意し、それぞれ昇温度ΔＴを０℃〜２００℃まで変化させて、検出部１００の抵抗変化率ΔＲを測定した。図に明らかなように、正常時には、昇温度ΔＴが増加するのに伴い、抵抗変化率ΔＲは徐々に低下しているが、その変化の割合は小さくほぼ一定で、昇温度ΔＴが０℃と、２００℃での抵抗変化率ΔＲの差はわずかである。

これに対して、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに破損がある時には、微粒子状物質ＰＭが正常時より全体に増加する。さらに、昇温度ΔＴが小さいほど、抵抗変化率ΔＲが大きくなり、かつ急激に変化している。この正常時とは異なる傾向は、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦをすり抜けてＰＭセンサ１に堆積する微粒子状物質ＰＭの違いによるものと推定される。つまり、正常時であれば、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの細孔に捕捉されにくい微細粒子（例えば０．１μｍ〜０．０１μｍ程度）であり、一方、クラック等の破損が生じると、微粒子状物質ＰＭのすり抜け量が増大し、特に粗大粒子（例えば１μｍ〜１０μｍ程度）が増加する。そして、１μｍ以上の粗大粒子は、熱泳動の影響を受けやすいことから、昇温度ΔＴによってＰＭセンサ１への付着率が変化すると考えられる。

熱泳動は、温度勾配のある場に存在する微小粒子が、粒子と気体分子との相互作用により、高温側から低温側へ移動する現象である。ＰＭセンサ１の検出部１００の温度が、導入される排気温度と同等で、温度差がなければ、排出ガス中の微粒子状物質ＰＭは検出部１００に到達し、堆積する。ところが、ＰＭセンサ１の検出部１００の温度を高くすると、付近の気体分子の運動量がより大きくなり、低温側へ向かう力となる。気体分子との衝突は、粒子が大きいほど頻度が高くなるから、微粒子状物質ＰＭ、特に１μｍ以上の粗大粒子は、熱泳動力を受けて検出部１００への付着率（抵抗変化率）が低下し、温度差がない場合との付着率（抵抗変化率）の差が大きくなる。一方、正常時には、微細粒子が主体であるために熱泳動力を受けにくいと推定される。

図７は、排気温度が低い場合と排気温度が高い場合とで、昇温度ΔＴと抵抗変化率ΔＲの関係が変化するかどうかを調べた結果を併せて示している。図示されるように、排気温度が高い場合に比べて、排気温度が低い場合は、全体に抵抗変化率が高くなる側へシフトしている。これは、排気温度が低い条件では、未燃焼のまま排出されるＨＣの量が増加し、微粒子状物質ＰＭ中のＳＯＦの量も増加することから、これらが微粒子状物質ＰＭのＰＭセンサ素子１の検出部１００への付着を促進し、付着率（抵抗変化率）を増加させるものと考えられる。排気温度が低い条件とは、例えば低温始動時や低負荷の運転条件の時である。

次に、図１のフローチャートに基づいて、異常検出部となる電子制御ユニットＥＣＵが備える判定手段の一例を説明する。図１のステップＳ１００では、まずデータ取込を行い、ＰＭセンサ１に導入される排気温度Ｔ１として、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ下流の温度センサＳＴ３出力を取り込む。また、図示しない水温センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの冷却水温Ｔｗを、エンジン回転数センサからディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥを取り込み、アクセル開度センサ等の出力に基づき燃料噴射量Ｑを求める。

ステップＳ１１０では、ＰＭセンサ１の検出部１００を第１の温度条件に設定する。ここでは、ステップＳ１００で取り込んだ排気温度Ｔ１と、検出部１００の検出電極１１、１２温度Ｔ２が等しくなるように、ヒータ部３００の通電制御を実施する。ヒータ部３００は、検出部１００の裏面に密着して配置されているので、ヒータ部３００の温度が排気温度Ｔ１と等しくなるように制御することで、検出電極１１、１２を含む検出部１００を所定温度とすることができる。ヒータ部３００の温度はヒータ電極３０の抵抗値を検出することにより容易に制御できる。

ステップＳ１２０では、第１の温度条件において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ１を計測する。この時、一定時間経過後の検出部１００の抵抗変化率は、検出電極１１、１２間に付着した微粒子状物質ＰＭの変化率（付着面積）に比例し、また、第１の温度条件では、熱泳動の影響がないので、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常がある場合には、前述した図６に示したように、検出される抵抗変化率ΔＲ１は正常時よりも大きくなる。

次に、ステップＳ１３０では、第２の温度条件を設定するための昇温度ΔＴを決定する。ここで決定される昇温度ΔＴは、例えば中負荷の運転条件において、ＤＰＦ破損等の異常があった場合に、第１の温度条件に対して明らかな変化が検出できる温度差とする。好適には、図７の昇温度ΔＴと抵抗変化率ΔＲの関係から、例えば１００℃〜２００℃の範囲において、予め所定の基準値を設定しておくことができる。通常の運転時における排気温度は、例えば３００℃〜３５０℃程度であるので、１００℃以上の温度差を設けることで、安定した出力が得られる温度範囲にて抵抗変化率ΔＲを精度よく検出できる。また、温度差が２００℃を超えると抵抗値の変化はほとんどなくなり、微粒子状物質ＰＭの燃焼温度に近づくので、２００℃以下とすることで、昇温に必要なエネルギーを抑制し、検出誤差を防止できる。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１３０で設定した基準の昇温度ΔＴを補正するため、低温または低負荷の運転条件であるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１００で取り込んだデータから、ディーゼルエンジンＥ／Ｇの冷却水温度Ｔｗが所定温度（例えば８０℃）以下である時に低温と判断し、またはディーゼルエンジンＥ／Ｇの回転数ＮＥ、燃料噴射量Ｑが所定値以下である時に、低負荷の運転条件であると判断する。例えば、低温始動時には、排出されるＨＣが多くなるため、微粒子状物質ＰＭが付着しやすくなり、図７に示したように、昇温度ΔＴと抵抗変化率ΔＲの関係が、通常運転時に対して変化する。低負荷運転時も同様である。

そこで、ステップＳ１４０が肯定判断された場合は、ステップＳ１５０に進んで、ステップＳ１３０で設定した昇温度ΔＴを補正する。具体的には、微粒子状物質ＰＭの付着量（抵抗変化率）の差が大きくなる傾向となるため、昇温度ΔＴをより小さくする。例えば、基準の昇温度ΔＴが１００℃である場合には、−５０℃として補正後の昇温度ΔＴを５０℃とする。ステップＳ１４０が否定判断された場合は、ステップＳ１５０をスキップして、ステップ１６０に進む。

次いで、ステップ１６０では、決定された昇温度ΔＴに基づいて、ＰＭセンサ１の検出部１００を第２の温度条件に設定する。ここでは、検出部１００の検出電極１１、１２温度Ｔ２＝排気温度Ｔ１＋昇温度ΔＴとなるように、ヒータ部３００の通電制御を実施する。さらに、ステップＳ１７０では、第２の温度条件において、ＰＭセンサ１の検出電極１１、１２間の抵抗変化率ΔＲ２を計測する。この第２の温度条件では、検出部１００が周囲の温度より高くなるので、熱泳動の影響が生じ、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常がある場合でも、前述した図６に示したように、検出される抵抗変化率ΔＲ２は比較的小さくなる。

そこで、続くステップ１８０において、計測された抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２を比較して、異常判定を行う。ここでは、抵抗変化率ΔＲ１と抵抗変化率ΔＲ２の差を算出し、差分値ΔＲ１−ΔＲ２が予め設定した所定値を超えたか否かを判定する。所定値は、例えば図７に示される関係に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦが正常に作動している場合の差分値よりも大きく、何らかの異常があると判断できる値以上であればよく、あるいは軽微な破損や性能低下または溶損といった異常の種類対応する複数の値を予め実験等によって設定しておくこともできる。

ステップ１８０が肯定判断されると、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに何らかの異常があると判断して、ステップ１９０へ進み、例えば警告灯を点灯して運転者に異常を知らせる。ステップ１８０が否定判断された時には、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦは正常と判断して、本処理を一旦終了する。

以上のようにして、本実施形態では、ＰＭセンサ１の検出部１００温度を、排気温度Ｔ１を基準とする第１の温度条件と、これより昇温度ΔＴだけ高い第２の温度条件とした時の抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２に基づいて、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦの異常を容易に検出することができる。したがって、電気抵抗式のＰＭセンサを用いた比較的簡易な構成で、大量のマップや温度補正を不要として、かつ精度よい判定が可能である。

なお、上記実施形態では、図１のステップ１４０、１５０において、低温または低負荷の運転条件の時に、昇温度ΔＴを補正するようにしたが、高負荷の運転条件で昇温度ΔＴを補正するようにしてもよい。このような運転条件の場合は、未燃焼のＨＣの排出が減り、微粒子状物質ＰＭが付着しにくくなるので、逆に昇温度ΔＴを大きくすることが好ましい。この時、第１の温度条件と第２の温度条件の温度差が大きくなり、これら温度における抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２の差が大きくなって、検出誤差を防止する。また図１のステップＳ１８０において、これら温度における抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２の差を比較して判定しているが、各温度における抵抗変化率ΔＲ１、ΔＲ２の比の値ΔＲ１/ΔＲ２にて判定を行うことも可能である。

また、本発明で用いるＰＭセンサは、上記実施形態の構成に限らず、一対の検出電極の形状や配置、ヒータ部、カバー体その他各部構成を、適宜変更することもできる。さらに、パティキュレートフィルタの構成や、排気処理システム、燃料噴射システムの各部構成を任意に変更することができる。

本発明のパティキュレートフィルタの異常検出装置は、ディーゼルパティキュレートフィルタを搭載した自動車への設置が義務付けられる車載式故障診断装置（ＯＢＤ）等の用途に用いられて、環境汚染物質の排出を防止する。また、自動車用ディーゼルエンジンに限らず、システム構成の異なる他のエンジンや、排気通路に排出ガスに含まれる微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備えるシステムのいずれにも好適に使用することができる。

ＤＰＦ ディーゼルパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
Ｅ／Ｇ ディーゼルエンジン（内燃機関）
ＥＣＵ 電子制御ユニット（異常検出部）
１ ＰＭセンサ（排出微粒子センサ）
１０ ＰＭ検出素子
１００ 検出部
１１、１２ 検出電極
１１１、１２１ リード部
１３ 絶縁性基板（絶縁性基体）
１４ 絶縁性保護層
２ 排気管（排気通路）
２０ 管壁
３０ ヒータ電極
３１、３２ リード部
３００ ヒータ部
４０ カバー体
４１０、４１１ 孔
５０ ハウジング
６０ インシュレータ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配設されて排出ガス中の微粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
   該パティキュレートフィルタの下流に設置されて、排出ガス中の微粒子状物質の量を検出する排出微粒子センサと、
   該排出微粒子センサの検出結果に基づいて、上記パティキュレートフィルタの異常を検出する異常検出部を備え、
   上記排出微粒子センサは、絶縁性基体の表面に一対の検出電極を形成した検出部と、該検出部を所定温度に加熱するヒータ部を有し、上記一対の検出電極間に付着する微粒子状物質の量に応じて電気抵抗値が変化する構成であり、
   上記異常検出部は、上記排出ガスの温度をＴ１、上記検出部の上記一対の検出電極の温度をＴ２とした時に、上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１が等しい第１の温度条件における上記検出部の出力値と、上記一対の検出電極の温度Ｔ２が上記排出ガスの温度Ｔ１より高い第２の温度条件における上記検出部の出力値とを比較し、その差分値または比の値が所定値を超えた時に、パティキュレートフィルタの異常と判定する判定手段を備えることを特徴とするパティキュレートフィルタの異常検出装置。
2. 上記異常検出部は、上記第２の温度条件における上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差が、５０℃〜２００℃の範囲となるように、上記一対の検出電極の温度Ｔ２を設定する請求項１記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
3. 上記異常検出部は、上記第２の温度条件における上記一対の検出電極の温度Ｔ２と上記排出ガスの温度Ｔ１の差を、上記内燃機関の温度または負荷を含む運転条件に基づいて設定する請求項１記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。
4. 上記排出微粒子センサは、上記排気通路に位置する上記絶縁性基体の先端部表面に、櫛歯状の上記一対の検出電極とリード部を形成して上記検出部とし、上記絶縁性基体の先端部裏面に、ヒータ電極およびリード部を形成して上記ヒータ部とする請求項１記載のパティキュレートフィルタの異常検出装置。

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