诊断装置和传感器

摘要

本发明提供一种能够早期检测PM传感器的功能失陷、功能劣化的低成本的诊断装置和传感器。一种配置在内燃机(100)的排气通道(110)中并检测排气中含有的颗粒状物质量的传感器(10)的诊断装置，包括：时间变化率运算部(2)，其在内燃机(100)的燃料喷射量为预先设定的喷射量阈值以下的期间，求出传感器(10)所检测到的颗粒状物质量的时间变化率；以及异常判定部(3)，其基于时间变化率运算部(2)所求出的颗粒状物质量的时间变化率，来判定传感器(10)的异常。

权利要求

1.一种传感器的诊断装置，上述传感器被配置在内燃机的排气通道中并检测排气中含有的颗粒状物质量，所述诊断装置的特征在于，包括：时间变化率运算部，其在上述内燃机的燃料喷射量为预先设定的喷射量阈值以下的、至少在车辆减速时、下坡行驶时、惯性行驶时或者燃料切断时的某一个期间，求上述传感器所检测到的颗粒状物质量的时间变化率；以及异常判定部，其基于上述时间变化率运算部所求出的上述颗粒状物质量的时间变化率，来判定上述传感器的异常。

2.如权利要求1所述的诊断装置，其中，

上述传感器是静电容式的传感器，其在包含被配置于上述排气通道中并捕集排气中的颗粒状物质的单元的过滤器构件中，设置有隔着上述单元对置配置而形成电容器的至少一对电极，并包括基于上述一对电极间的静电容来推定排气中的颗粒状物质量的推定部件，上述时间变化率运算部和上述异常判定部被构成为：使用上述一对电极间的静电容的时间变化率作为上述颗粒状物质量的时间变化率。

3.如权利要求2所述的诊断装置，其中，

上述诊断装置包括检测排气气体的温度的排气气体温度检测部件，上述异常判定部被构成为：通过将根据上述排气气体温度检测部件所检测到的排气气体的温度对上述一对电极间的静电容的时间变化率进行了校正后的值、和预先设定的变化率阈值进行比较，从而判定上述传感器的异常。

4.如权利要求1～3的任何一项所述的诊断装置，其中，

上述喷射量阈值为0，

上述时间变化率运算部被构成为：在燃料喷射量为0的燃料切断时，求上述传感器所检测到的颗粒状物质量的时间变化率。

5.一种传感器，被配置在内燃机的排气通道中并检测排气中含有的颗粒状物质量，其特征在于，包括权利要求1～4的任何一项所述的诊断装置。

说明书

诊断装置和传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及诊断装置和传感器，特别涉及对排气中含有的颗粒状物质(以下称为PM)进行检测的PM传感器的诊断装置和PM传感器。

背景技术

[0002] 以往，作为对从内燃机排出的排气中的PM进行检测的传感器，已知电阻型PM传感器。电阻型PM传感器在绝缘性基板的表面对置配置有一对导电性电极，利用电阻值因附着在这些电极上的导电性的PM(主要是碳烟组分)而变化的现象来推定PM量(例如，参照专利文献1)。

[0003] 此外，作为电阻型PM传感器的故障诊断装置，提出了如下的装置：对两个PM传感器的再生时间相互进行比较，在这些传感器的再生时间之差大于预定值的情况下，判定为故障(例如，参照专利文献2)。

[0004] 现有技术文献

[0005] 专利文献

[0006] 专利文献1:日本特开2012－83210号公报

[0007] 专利文献2:日本特开2009－144512号公报

发明内容

[0008] 发明要解决的课题

[0009] 但是，在专利文献2的装置中，由于需要在大致相同位置设置两个PM传感器，所以存在浪费较多且高成本这种问题。

[0010] 此外，在专利文献2的装置中，由于如果不进行传感器再生则不能进行诊断，所以，在传感器再生的频度较低的情况下，有可能无法早期检测PM传感器的功能失陷、功能劣化等。

[0011] 因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够早期检测PM传感器的功能失陷、功能劣化的低成本的诊断装置和传感器。

[0012] 用于解决课题的手段

[0013] 本发明是为了达到上述目的而发明的，是配置在内燃机的排气通道中并检测排气中含有的颗粒状物质量的传感器的诊断装置，包括：时间变化率运算部，其在上述内燃机的燃料喷射量为预先设定的喷射量阈值以下的期间，求上述传感器所检测到的颗粒状物质量的时间变化率；以及异常判定部，其基于上述时间变化率运算部所求出的上述颗粒状物质量的时间变化率，来判定上述传感器的异常。

附图说明

[0014] 图1的(A)是表示应用了本发明的一实施方式的诊断装置的柴油引擎的排气系统的一个例子的概略结构图，(B)是电子控制单元的功能框图。

[0015] 图2是表示本发明的一实施方式的诊断装置的PM传感器的示意性的局部剖视图。

[0016] 图3是说明本发明的诊断装置的原理的图。

[0017] 图4的(A)是表示本发明的一变形例的PM传感器的传感器部的示意性的立体图，(B)是表示该PM传感器的传感器部的示意性的分解立体图。

[0018] 图5是表示本发明的一变形例的PM传感器的示意性的局部剖视图。

具体实施方式

[0019] 以下，基于附图来说明本发明的实施方式的诊断装置。对于相同的零件，标注相同的附图标记，它们的名称及功能也相同。因而，不重复对它们的详细的说明。

[0020] 图1的(A)是表示应用了本实施方式的诊断装置的柴油引擎(以下，简称为引擎)的排气系统的一个例子的概略结构图，图1的(B)是电子控制单元的功能框图。

[0021] 如图1的(A)所示，在引擎100的排气通道(排气管)110内，从排气上游侧起依次设置有氧化催化剂210、微粒过滤器(以下，称为DPF)220等。本实施方式的诊断装置是将PM传感器10配置在比DPF220靠上游侧的排气通道110而构成的。另外，PM传感器10的个数没有限定，也可以是两个以上。此外，PM传感器10的配置位置也可以是比DPF220靠下游侧的排气通道110。

[0022] 接下来，说明PM传感器10的详细构成。

[0023] 如图2所示，PM传感器10包括：外壳构件11，其被插入在排气通道110内；底座部20，其将外壳构件11安装于排气通道110中；以及传感器部30，其被收容在外壳构件11内。

[0024] 外壳构件11被形成为将底部侧(在图示例中是下端侧)封闭的有底圆筒状。外壳构件11的筒轴向的长度L以与排气通道110的半径R大致相同的长度形成，使得其底部侧的筒壁部突出到排气通道110的轴中心CL附近。另外，在以下的说明中，将外壳构件11的底部侧作为前端侧，将底部侧的相反侧作为外壳构件11的基端侧。

[0025] 在外壳构件11的前端侧筒壁部，设置有在周向隔开间隔地配置的多个导入口12。此外，在外壳构件11的基端侧筒壁部，设置有在周向隔开间隔地配置的多个导出口13。导入口12的总开口面积S12被形成得比导出口13的总开口面积S13小(S12＜S13)。即，导入口12附近的排气流速V12比导出口13附近的排气流速V13慢(V12＜V13)，从而导入口12侧的压力P12比导出口13侧的压力P13高(P12＞P13)。由此，排气气体从导入口12被顺畅地引入到外壳构件11内，同时，外壳构件11内的排气气体从导出口13被顺畅地导出到排气通道110内。

[0026] 底座部20包括外螺纹部21、以及螺母部22。外螺纹部21被设置在外壳构件11的基端部，将外壳构件11的基端侧开口部封闭。该外螺纹部21与形成在排气通道110上的凸台部110A的内螺纹部拧合。螺母部22例如是六角螺母，被固定在外螺纹部21的上端部。在这些外螺纹部21及螺母部22上形成有使后述的导电线32A、33A等插过的通孔(未图示)。

[0027] 传感器部30包括过滤器构件31、多对电极32、33、以及电加热器34。

[0028] 过滤器构件31例如是通过对构成由多孔质陶瓷的分隔壁划分的网格状的排气流路的多个单元(cell)的上游侧和下游侧交替地进行孔封闭而形成的。该过滤器构件31在使单元的流路方向与外壳构件11的轴向(图中上下方向)大致平行的状态下，隔着缓冲构件31A被保持在外壳构件11的内周面上。从导入口12引入到外壳构件11内的排气气体中的PM由于排气气体从下游侧被孔封闭的单元流入到上游侧被孔封闭的单元，从而被分隔壁表面或细孔捕集。另外，在以下的说明中，将下游侧被孔封闭的单元称为测定用单元，将上游侧被孔封闭的单元称为电极用单元。

[0029] 电极32、33例如是导电性的金属线，从下游侧(非孔封闭侧)交替地被插入到隔着测定用单元而对置的电极用单元中，从而形成电容器。这些电极32、33经由导电线32A、33A分别与内置在车辆的电子控制单元(称为ECU)40中的未图示的静电容检测电路连接。

[0030] 电加热器34例如是电热线，构成本发明的再生部件。电加热器34因通电而发热来加热测定用单元，从而执行将堆积在测定用单元内的PM燃烧除去的所谓的过滤器再生(以下，也称为传感器再生)。因此，电加热器34呈连续S字形地弯曲地形成，且相互平行的直线部分沿着流路而被插入到各测定用单元内。

[0031] 此外，如图1的(B)所示，PM传感器10包括传感器再生控制部41、以及PM量推定运算部42。传感器再生控制部41和PM量推定运算部42被搭载在ECU40中。另外，传感器再生控制部41和PM量推定运算部42也可以被搭载在与ECU40相互独立地构成的硬件单元中。

[0032] 传感器再生控制部41执行根据由未图示的静电容检测电路检测的电极32、33间的静电容Cp而将电气加热器34接通(通电)的传感器再生。电极32、33间的静电容Cp由以下的数学公式1表示，其中电极32、33间的介质的介电常数设为ε、电极32、33的表面积设为S、电极32、33间的距离设为d。

[0033] [数学公式1]

[0034]

[0035] 在数学公式1中，电极32、33的表面积S固定，若PM被过滤器构件31捕集，则介电常数ε及距离d会变化，静电容Cp也会随之变化。即，在电极32、33间的静电容Cp与过滤器构件31的PM堆积量之间，成立比例关系。

[0036] 若电极32、33间的静电容Cp达到表示过滤器构件31的PM上限堆积量的预定的静电容上限阈值CP max，则传感器再生控制部41开始使电气加热器34接通的传感器再生(参照图3)。持续该传感器再生，直到静电容Cp降低到表示PM完全除去的预定的静电容下限阈值CP min。

[0037] PM量推定运算部42是本发明的推定部件的一个例子，其求电极32、33间的静电容Cp，并且，基于成为测量对象的期间的静电容变化量ΔCpn，推定排气中的总PM量mPM sum。

[0038] 用对静电容变化量ΔCpn乘以一次系数β的以下的数学公式2得到在任意的期间Tn期间内由过滤器构件31捕集的PM量mPM n。

[0039] [数学公式2]

[0040] mPM_n＝β·ΔCpn

[0041] PM量推定运算部42基于将从数学公式2算出的期间Tn的PM量mPM n依次累计的以下的数学公式3，实时运算流入到PM传感器10的过滤器构件31中的排气中的总PM量mPM sum。

[0042] [数3]

[0043]

[0044] 需要说明的是，PM传感器10还包括本实施方式的诊断装置1。

[0045] 诊断装置1包括时间变化率运算部2、以及异常判定部3。

[0046] 时间变化率运算部2和异常判定部3被搭载在车辆的ECU40中。另外，时间变化率运算部2和异常判定部3也可以被搭载在与ECU40相互独立地构成的硬件单元中。

[0047] 时间变化率运算部2在作为内燃机的引擎100的燃料喷射量为预先设定的喷射量阈值以下的期间，求PM传感器10所检测到的PM量的时间变化率。另外，燃料喷射量由于在ECU40中被用于引擎控制等，所以，以取得在ECU40中使用的燃料喷射量并用于运算的方式来构成时间变化率运算部2即可。

[0048] 喷射量阈值被设定为从引擎100几乎不会产生PM的较小的值即可。此处，将时间变化率运算部2构成为，将喷射量阈值设定为0，在燃料喷射量为0的燃料切断时，求PM传感器10所检测到的PM量的时间变化率。

[0049] 异常判定部3基于时间变化率运算部2所求出的PM量的时间变化率来判定PM传感器10的异常。

[0050] 如图3所示，在燃料喷射量为喷射量阈值以下的期间(此处是燃料喷射量为0的燃料切断时)D，由于从引擎100几乎不会排出PM，所以，在PM传感器10正常运转的情况下，在该期间D，静电容Cp几乎不变化，PM量的时间变化率也必须大致为0。因此，在期间D中PM量的时间变化率变大的情况下，认为PM传感器10发生了某些异常。

[0051] 此处，PM量是指在测量时刻由过滤器构件31捕集的PM的量，能够使用前次的传感器再生以后的总PM量mPM sum。由于总PM量mPM sum的变化量依存于电极32、33间的静电容Cp的变化量，所以，在本实施方式中，为了简化运算，将静电容Cp的时间变化率(dCp/dt)用作表示PM量的时间变化率的指标。

[0052] 即，在本实施方式中，时间变化率运算部2被构成为求燃料切断时的静电容Cp的时间变化率(dCp/dt)，异常判定部3被构成为基于静电容Cp的时间变化率(dCp/dt)来判定PM传感器10的异常。

[0053] 并且，由于静电容Cp根据排气气体的温度而变化，所以，通过根据排气气体的温度来对实测的静电容Cp进行校正，从而能够进一步提高判定精度。

[0054] 在本实施方式中，还包括检测排气气体的温度的排气气体温度检测部件(未图示)，将异常判定部3构成为：通过将值A与预先设定的变化率阈值进行比较，从而判定PM传感器10的异常，其中，该值A是用排气气体温度检测部件所检测到的排气气体的温度T对静电容Cp的时间变化率(dCp/dt)校正后的值，即由以下的数学公式表示的值，[0055] A＝(dCp/dt)×f(T)

[0056] 其中，f(T)：是取决于排气气体的温度T的校正系数。

[0057] 更具体而言，异常判定部3被构成为：在上述的值A比变化率阈值大的情况下，判定为PM传感器10异常，在值A为变化率阈值以下的情况下，判定为PM传感器10不是异常。对于校正系数f(T)，例如将根据排气气体的温度T进行参照的校正系数映射预先搭载在ECU40中，通过参照该校正系数映射来求出即可。

[0058] 此外，由于排气气体的温度由设置于排气通道110的温度传感器(未图示)测定并被用于DPF220的再生控制等，所以，将该温度传感器用作排气气体温度检测部件即可。

[0059] 说明本实施方式的作用效果。

[0060] 在本实施方式的诊断装置1中，包括：时间变化率运算部2，其在作为内燃机的引擎100的燃料喷射量为预先设定的喷射量阈值以下的期间，求出PM传感器10所检测到的PM量的时间变化率；以及异常判定部3，其基于时间变化率运算部2所求出的PM量的时间变化率，来判定PM传感器10的异常。

[0061] 在将两个电阻型PM传感器的输出值相互比较的现有技术中，由于需要在大致相同的场所设置两个相同的PM传感器，所以成本高，此外，在传感器再生的频度较低的情况下，有可能无法早期检测PM传感器的功能失陷、功能劣化等。

[0062] 与此不同，在本实施方式的诊断装置1中，利用在燃料喷射量较小的期间(优选燃料切断时)几乎不会产生PM的现象，构成为在该期间的PM量的时间变化率较大的情况下，判定为PM传感器10为异常。

[0063] 因此，不需要为了诊断PM传感器10而在相同的场所设置多个PM传感器10、成本低，此外，能够在减速时或下坡的行驶时、或者靠惯性行驶时等每当燃料喷射量变小时，进行PM传感器10的异常判定，与以往比较，能够提高PM传感器10的异常判定的频度，能够早期检测PM传感器10的功能失陷、功能劣化等。

[0064] 此外，本实施方式的PM传感器10由静电容式的传感器构成，该静电容式的传感器在包含配置于排气通道110中并捕集排气中的颗粒状物质的单元的过滤器构件31中，设置有隔着单元对置配置而形成电容器的至少一对电极32、33，并包括基于一对电极32、33间的静电容Cp来推定排气中的PM量的推定部件。

[0065] 在基于电极间的电阻值来推定PM量的电阻型PM传感器中，由于电阻值在各电极因PM而相互相连之前的期间不会出现变化，所以，存在不能实时推定排气气体中的PM量的问题。

[0066] 与此不同，本实施方式的PM传感器10被构成为：基于灵敏度良好的电极32、33间的静电容变化量来推定PM量，并将推定出的PM量依次累计，从而运算排气气体中的PM量。因而，根据本实施方式的PM传感器10，能够高精度且实时推定从引擎100排出的排气气体中的PM量。

[0067] 此外，在使PM附着到各电极上的电阻型PM传感器中，例如，在排气流量变多的运转状态下，有可能PM的一部分从电极脱离，存在不能保证PM量的推定精度的问题。与此不同，本实施方式的PM传感器10被构成为用过滤器构件31可靠地捕集排气气体中的PM。因而，根据本实施方式的PM传感器10，即使在排气流量变多的运转状态下，也能够有效地确保PM量的推定精度。

[0068] 此外，在本实施方式的PM传感器10中，使收容有传感器部30的外壳构件11的前端部在排气通道110内突出到排气流速最快的轴中心CL附近。在该外壳构件11的前端侧筒壁部，设置有将排气气体引入到外壳构件11内的导入口12。此外，在外壳构件11的基端侧筒壁部，设置有开口面积形成得比导入口12大的导出口13。即，根据本实施方式的PM传感器10，通过将导入口12配置在排气流速较快的排气通道110的轴中心CL附近，并将导出口13的开口面积设定得较大，从而能够确保导入口12与导出口13的静压差较大，能够有效地促进通过传感器部30的排气气体的流动。

[0069] 本发明不限于上述实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内施加各种变更。

[0070] 例如，PM传感器10的具体构成不限于上述实施方式，如图4的(A)、(B)所示，也可以使用层叠类型的传感器部60。

[0071] 传感器部60包括：长方体状的多个过滤器层61，其在一个方向上并列配置有上游侧和下游侧交替地被孔封闭的单元；以及多张第1和第2电极板62、63，其由平板状的导电性构件构成，传感器部60是将第1和第2电极板62、63隔着过滤器层61交替地层叠而构成的。第1和第2电极板62、63的长度方向L及宽度方向W的外形尺寸被形成得与过滤器层61大致相同。

[0072] 通过将第1电极板62和第2电极板63对置配置，并在这些电极板62、63间夹持过滤器层61，从而能够有效地确保电极表面积S，能够提高能检测的静电容绝对值。此外，由于电极间距离d为单元间距并被均匀化，从而能够有效地抑制初期静电容的偏差。

[0073] 另外，在将堆积在单元中的PM燃烧除去的情况下，对电极板62、63直接施加电压、或者在过滤器层61与电极板62、63之间夹设未图示的加热器基板等即可。

[0074] 此外，如图5所示，也可以交换导入口12与导出口13的位置，使被导入到外壳构件11内的排气气体的流动成为反向。在该情况下，将过滤器构件31反转收容在外壳构件11内即可。