JP2004278457A - 内燃機関の触媒劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒１３の酸素ストレージ機能を活用して、触媒１３の劣化を診断する。
【解決手段】触媒入口の排気λをリッチに制御し、触媒入口の空燃比センサ２３により検出される排気λがリッチとなってから、触媒出口の空燃比センサ２４により検出される排気λがリッチとなるまでの時間を計測し、この時間が所定時間を下回ったときに、触媒が劣化したと診断する。そして、この診断は、触媒入口の排気λが同一でかつＥＧＲ率が異なる条件において、複数回行う。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関において排気通路に設けられる排気浄化触媒の劣化を診断する触媒劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１や特許文献２では、排気浄化触媒の入口側及び出口側にそれぞれ空燃比センサを設け、これらの空燃比センサの出力に基づいて、触媒の劣化を診断している。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−２８６５５０号公報
【特許文献２】特許第２５０３８２９号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の劣化診断では、触媒の酸素（Ｏ２）ストレージ機能を活用し、そのＯ２ストレージ機能の劣化を空燃比制御時の触媒出入口の空燃比センサの出力から判定しているが、通常の範囲での経時変化時の出力変化と、触媒の性能異常劣化時の出力変化とを区別することが、非常に困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑み、触媒劣化診断の精度を向上させ得るようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、排気浄化触媒のＯ２ストレージ機能を活用して、触媒入口の排気空燃比をストイキないしリッチに制御した際の触媒出口の排気空燃比の特性を代表するパラメータから、触媒の劣化を診断するが、触媒の劣化診断は、触媒入口の排気空燃比が同一でかつ酸素濃度が異なる条件において、複数回行う構成とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、排気空燃比が同一でかつ酸素濃度が異なる条件にて、Ｏ２ストレージ機能を診断することで、触媒の劣化診断を精度良く実施することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（ここではディーゼルエンジン）のシステム図である。
【０００９】
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には可変ノズル型のターボチャージャ３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。
【００１０】
排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲ（排気還流）ガスとして、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して吸気側へ還流される。排気の残りは、可変ノズル型のターボチャージャ３の排気タービンを通り、これを駆動する。但し、大量ＥＧＲを行ったときのターボチャージャ３の過渡応答性に問題がある場合は、排気タービンの下流側にＥＧＲ通路１１のＥＧＲガス取出口を配置する。
【００１１】
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、排気空燃比がリーンのときに流入する排気中のＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチのときトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒１３を配置してある。また、このＮＯｘトラップ触媒１３には、酸化触媒（貴金属）を担持させて、流入する排気成分（ＨＣ、ＣＯ）を酸化する機能を持たせてある。
【００１２】
コントロールユニット２０には、エンジン１の制御のため、エンジン回転速度Ｎｅ検出用の回転速度センサ２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２から、信号が入力されている。
【００１３】
また、排気通路１０のＮＯｘトラップ触媒１３の入口側及び出口側のそれぞれに、排気空燃比（以下排気λといい、数値としては空気過剰率で表す）を検出する空燃比センサ２３、２４を設けてある。更に、ＮＯｘトラップ触媒１３の温度（又はその近傍の排気温度）Ｔｃを検出する温度センサ２５を設けてある。そして、これらの信号もコントロールユニット２０に入力してある。
【００１４】
この他、図示しないが、コントロールユニット２０には、水温センサ、走行距離計などからも信号が入力されている。
コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９によるメイン噴射及び所定の運転条件においてメイン噴射後（膨張行程又は排気行程）に行うポスト噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号等を出力する。
【００１５】
ここにおいて、コントロールユニット２０では、ＮＯｘトラップ触媒１３のＯ２ストレージ機能を活用して、ＮＯｘトラップ触媒１３の劣化診断を行うようにしており、かかる触媒劣化診断について、以下に詳細に説明する。
【００１６】
図２及び図３はコントロールユニット２０にて実行される触媒劣化診断のフローチャートである。
Ｓ１−１では、エンジンの運転状態として、エンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量（メイン噴射量）Ｑ、水温Ｔｗなどを読込む。尚、メイン噴射量Ｑは負荷を代表するもので、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとをパラメータとするマップから演算されている。
【００１７】
Ｓ１−２では、エンジンの暖機判定を行う。これは水温Ｔｗに基づいて行い、暖機後（Ｔｗ≧所定値）の場合にＳ１−３へ進み、冷機時（Ｔｗ＜所定値）の場合は診断を行わずに処理を終了する。
【００１８】
Ｓ１−３では、触媒の劣化診断を行う時期（触媒診断時期）であるかを判定する。所定の走行距離ごとのインターバルで触媒の劣化診断を行うので、前回の診断時からの走行距離が所定値以上の場合にＳ１−４へ進み、所定値未満の場合は診断を行わずに処理を終了する。
【００１９】
Ｓ１−４では、触媒の劣化診断を行う運転領域（触媒診断領域）であるかを判定する。これは、エンジン回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに基づいて行い、図５に示す判定領域（判定領域１又は２）である場合にＳ１−５へ進む。図５に示す診断不可領域（極低負荷）である場合は、触媒がそもそも活性していないので、診断を行わずに処理を終了する。尚、運転領域で診断の可否を判断する代わりに、触媒温度Ｔｃが所定値に達している場合に診断を行う方式にしてもよい。
【００２０】
Ｓ１−５では、二次診断フラグについて判定する。二次診断フラグは、一次診断の時に劣化と判定された場合に、より詳細な二次診断を行わせるために立てるもので、立っていない場合（０の場合）は、Ｓ１−６へ進む。
【００２１】
Ｓ１−６では、触媒の劣化診断（一次診断）を行う。
具体的には、図４に示すように、吸気絞り弁を用いて、触媒入口の排気λがリッチ側の目標値（λ＜１）になるように吸気量を減量し、目標の排気λを実現する。その際、触媒出口の排気λは、触媒のＯ２ストレージ機能によって、ｔ１の時間、λ＝１を示す。従って、この時間ｔ１を計測して、所定時間と比較し、所定時間より短い場合は触媒の劣化が起きていると判断する。
【００２２】
Ｓ１−７では、Ｓ１−６での診断結果に基づき、劣化の有無を判定し、劣化ありの場合はＳ１−８へ進み、劣化なしの場合は処理を終了する。
Ｓ１−８では、触媒が劣化と判断されたので、Ｓ（イオウ）被毒による一時劣化か、熱による永久劣化かを分離するため、Ｓ被毒解除を行う。
【００２３】
Ｓ被毒解除は、次のように行う。
先ず、触媒温度ＴｃがＳ被毒解除に必要な所定温度を超えているか否かを判定し、超えていない場合は、所定温度になるまで、吸気絞り弁により吸気を絞って、昇温制御を行う。Ｓ被毒解除には、排気λがストイキ〜リッチで、且つ所定温度以上であることが必要であり、例えばＢａ系のＮＯｘトラップ触媒を使った場合はストイキ〜リッチ雰囲気で６００℃以上にする必要があることから、ここでの所定温度は６００℃以上に設定される。
【００２４】
所定温度に昇温させた後は、Ｓ被毒解除のため、排気λをストイキに制御する。すなわち、吸気絞り弁により、基本的には、予め定めたストイキ運転のための目標吸入空気量になるように制御し、排気λがストイキから乖離している場合は、更に調整して、排気λをストイキに制御する。
【００２５】
排気λをストイキに制御している間も、触媒温度が所定温度を超えているか否かを判定する。排気λの制御によって触媒温度が所定温度より低くなる可能性があるためであり、触媒温度が所定温度より低い場合は、触媒温度を上昇させるため、所定のポスト噴射を行う。ポスト噴射によって排気λが変動するが、その後再度吸入空気量を調整することで、目標の排気λと触媒温度とを実現する。
【００２６】
このようなＳ被毒解除モード（目標の排気λと触媒温度）にて所定時間経過した場合に、Ｓ被毒解除完了として、Ｓ１−９へ進む。
Ｓ１−９では、再度、Ｓ１−６と同様の手法で、触媒の劣化診断（一次診断）を行う。
【００２７】
Ｓ１−１０ では、Ｓ１−９での診断結果に基づき、劣化の有無を判定し、劣化ありの場合はＳ１−１１ へ進み、劣化なしの場合は処理を終了する。
Ｓ１−１１ では、一次診断で劣化と判定されたので、二次診断フラグを立てる（二次診断フラグ＝１）。
【００２８】
このようにして、二次診断フラグ＝１となると、次回のＳ１−５での判定で、Ｓ２−１（図３）へ進む。
Ｓ２−１では、エンジンの運転領域を判定する。すなわち、図５中の低負荷側の判定領域１（ＥＧＲ領域）か高負荷側の判定領域２（非ＥＧＲ領域）かを判定する。図４に示すように、劣化診断時にＥＧＲを行っている場合（Ｗ／ ＥＧＲ）、排気ガス中の未燃燃料分の影響で、触媒出口の排気λが１に維持されている時間ｔ１が、ＥＧＲをしていない場合（ｎｏ ＥＧＲ）に対して、長くなる。このため、リッチ運転時のＥＧＲの影響を考慮して触媒の劣化診断を行う必要があるからである。
【００２９】
低負荷側の判定領域１（ＥＧＲ領域）の場合は、Ｓ２−２へ進み、高負荷側の判定領域２（非ＥＧＲ領域）の場合は、Ｓ２−３へ進む。
Ｓ２−２では、運転条件に応じて設定していたリッチ運転時の目標ＥＧＲ率を、所定のＥＧＲ率ＥＧＲ１（≧０）に減量する。これによって劣化診断時のＥＧＲの影響をキャンセルでき、触媒の劣化診断をより正確に行うことができる。つまり低負荷条件での二次診断では、一次診断の時に比べてＥＧＲ率を低下させる。
【００３０】
Ｓ２−３では、高負荷領域での診断時であるので、排気系の加熱防止のために所定のＥＧＲ率ＥＧＲ２で、ＥＧＲを実施する。通常、高負荷条件ではＥＧＲは行っておらず、触媒診断時等もＥＧＲを実施せずにストイキ運転を実施すると、排気ガス温度が過度に上昇してしまい、排気系部品に悪影響を及ぼすことがある。そこで、高負荷条件では所定のＥＧＲを行うことにより、排気ガスの比熱を上げ、排気ガスの温度を低下させることで、排気系部品へのダメージを低減することができる。つまり高負荷条件での二次診断では、一次診断の時に比べてＥＧＲ率を上昇させる。
【００３１】
Ｓ２−４では、Ｓ２−２又はＳ２−３での所定のＥＧＲ率の下で、再度、Ｓ１−６と同様の手法で、触媒の劣化診断（二次診断）を行う。
すなわち、吸気絞り弁を用いて、触媒入口の排気λがリッチ側の目標値（λ＜１）になるように吸気量を減量し、目標の排気λを実現する。そして、触媒入口の排気λがリッチ側に変化してから、触媒出口の排気λがリッチ側に変化するまでの時間（触媒出口の排気λが１に維持されている時間）ｔ１を計測する。そして、この時間ｔ１を所定時間ｔｓと比較し、所定時間ｔｓより短い場合に触媒の劣化が起きていると判断する。
【００３２】
この際、比較用の所定時間ｔｓは、基本時間ｔｓ０を、図６に示すようなＥＧＲ率に応じた時間補正係数Ｋにより補正し、ｔｓ＝ｔｓ０×Ｋとして設定する。ここで、ＥＧＲ率が大きいほど、時間補正係数Ｋを大きくすることで、比較用の所定時間ｔｓを長くする。
【００３３】
Ｓ２−５では、Ｓ２−４での診断結果に基づき、劣化の有無を判定し、劣化ありの場合はＳ２−６へ進み、触媒劣化フラグを立てる。
最後に、Ｓ２−７では、二次診断が終了したので、二次診断フラグを０にして、処理を終了する。
【００３４】
前記触媒劣化フラグが立った場合は、車両運転席前の計器板に触媒が劣化していることを示すランプを点灯したり、車両整備工場で、別体の診断装置をエンジンのコントロールユニットに接続したときに、このフラグを読取らせて、触媒が劣化していることを診断装置に表示して、整備士に触媒の交換を促すようにすることができる。
【００３５】
本実施形態によれば、触媒のＯ２ストレージ機能を活用して、触媒入口の排気λをストイキないしリッチに制御した際の触媒出口の排気λの特性を代表するパラメータ（ｔ１）から、触媒の劣化を診断するに際し、触媒入口の排気λが同一でかつ酸素濃度が異なる条件において、複数回、触媒の劣化診断を行うことにより、劣化診断の精度を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、排気ガス中の未燃燃料分の比率（例えばＣＯとＨＣ）を変えた条件において触媒の劣化診断を行うことにより、触媒での発熱量が変わり、同一の運転条件においても触媒温度をより活性した状態や、活性開始直後の条件で触媒の劣化診断を行うことができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、ＥＧＲを行っている時に触媒の劣化を診断することにより、ＥＧＲによって排気ガス組成を同一の排気λで変えることが可能であり、ＥＧＲ率を同一の排気λで制御することで、触媒の劣化をより簡単に判定することができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、ＥＧＲ率の異なる条件において触媒の劣化診断を行うことにより、Ｏ２ストレージ特性と温度特性の異なる条件での比較が同一の運転条件で行えることから、より詳細に触媒の劣化を判定することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、元々ＥＧＲ率の低い運転条件（最初の劣化診断時のＥＧＲ率が小さいとき）は、その後徐々にＥＧＲ率を大きくして診断を繰り返すことで、より確実かつ簡易に劣化診断を行うことができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、元々ＥＧＲ率の高い運転条件（最初の劣化診断時のＥＧＲ率が大きいとき）は、その後徐々にＥＧＲ率を小さくして診断を繰り返すことで、より確実かつ簡易に劣化診断を行うことができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、触媒の劣化診断は、触媒入口の排気λをリッチに制御した際に、触媒入口の排気λがリッチとなってから、触媒出口の排気λがリッチとなるまでの時間ｔ１に基づいて行い、この時間が所定時間ｔｓを下回ったときに、触媒が劣化したと診断することにより、触媒のＯ２ストレージ機能を活用して、触媒の劣化診断を精度良く行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、触媒の劣化診断を行う際の前記所定時間ｔｓをＥＧＲ率に応じて変化させることよって、より精度良く、劣化診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すシステム図
【図２】触媒劣化診断のフローチャート（その１）
【図３】触媒劣化診断のフローチャート（その２）
【図４】触媒劣化診断方法の説明図
【図５】診断領域の説明図
【図６】時間補正係数の特性図
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ ターボチャージャ
５ 吸気絞り弁
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲ弁
１３ ＮＯｘトラップ触媒
２０ コントロールユニット
２１ 回転速度センサ
２２ アクセル開度センサ
２３ 触媒入口側空燃比センサ
２４ 触媒出口側空燃比センサ
２５ 触媒温度センサ

Claims (8)

1. 排気浄化触媒の酸素ストレージ機能を活用して、触媒入口の排気空燃比をストイキないしリッチに制御した際の触媒出口の排気空燃比の特性を代表するパラメータから、触媒の劣化を診断する内燃機関の触媒劣化診断装置であって、
   触媒の劣化診断は、触媒入口の排気空燃比が同一でかつ酸素濃度が異なる条件において、複数回行うことを特徴とする内燃機関の触媒劣化診断装置。
2. 排気ガス中の未燃燃料分の比率を変えた条件において触媒の劣化診断を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
3. ＥＧＲを行っている時に触媒の劣化を診断することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
4. ＥＧＲ率の異なる条件において触媒の劣化診断を行うことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
5. 劣化診断時のＥＧＲ率を最初は小さく設定し、その後徐々に大きくして診断を行うことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
6. 劣化診断時のＥＧＲ率を最初は大きく設定し、その後徐々に小さくして診断を行うことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
7. 触媒の劣化診断は、触媒入口の排気空燃比をリッチに制御した際に、触媒入口の排気空燃比がリッチとなってから、触媒出口の排気空燃比がリッチとなるまでの時間に基づいて行い、この時間が所定時間を下回ったときに、触媒が劣化したと診断することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。
8. 触媒の劣化診断を行う際の前記所定時間をＥＧＲ率に応じて変化させることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の触媒劣化診断装置。

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