JP2004353606A - 内燃機関の触媒劣化判定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の触媒劣化判定装置において、フィルタ上流に設けられた酸化能力を有する触媒の劣化の度合いを判定する技術を提供する。
【解決手段】前段触媒と、その下流のパティキュレートフィルタと、還元剤供給手段と、を備え、還元剤を供給して前記フィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後の、フィルタ下流の排気温度とフィルタ上流の排気温度との差が大きいほど前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定する。
【選択図】図２
【解決手段】前段触媒と、その下流のパティキュレートフィルタと、還元剤供給手段と、を備え、還元剤を供給して前記フィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後の、フィルタ下流の排気温度とフィルタ上流の排気温度との差が大きいほど前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定する。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないように排気系にＰＭの捕獲を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕獲され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕獲されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
このフィルタの再生は、該フィルタの上流に酸化能力を有する触媒を設け、該酸化能力を有する触媒に還元剤を供給したときに発生する熱により高温となった排気をフィルタに流通させることにより行うことができる。
【０００５】
ところで、フィルタ上流に備えられた酸化触媒は、排気の熱や還元剤供給時の温度上昇により劣化する。この劣化の度合いが大きくなると、酸化触媒で反応する還元剤の量が減り、該酸化触媒下流へ流出する還元剤の量が増加する。そのため、フィルタに捕獲された粒子状物質を除去するために多くの還元剤が必要となってしまう。また、フィルタに捕獲された粒子状物質の除去が十分に行われずに、フィルタの目詰まりが生じる虞もある。このような酸化触媒の劣化を検出することができれば、ユーザ等に酸化触媒の交換を促すことができ、還元剤の供給量の増加を抑制し、また、フィルタの目詰まりを抑制することができる。そして、酸化能力を有する触媒の劣化を抑制する技術として、例えば、フィルタ上流に酸化触媒を備え、酸化触媒より上流から還元剤たる燃料を供給してＰＭを除去し、フィルタの再生を行う必要がないときには排気が酸化触媒を通過しないようにする技術（例えば、特許文献１参照。）が知られている。また、フィルタ上流に備えられた酸化触媒の劣化を判定する技術（例えば、特許文献２参照。）、フィルタ上流と下流との排気温度の差に基づいて還元剤の供給量を補正する技術（例えば、特許文献３参照。）が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６０−４３１１３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２７６３６号公報
【特許文献３】
特開平５−２２２９１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フィルタの再生を実施しているときには、酸化触媒に排気を流通させるため、度合いは低いが劣化を生じてしまう。このような劣化の度合いを判定することができれば、ユーザ等に触媒の交換を促したり、その劣化の度合いに応じたフィルタの再生を行ったりすることが可能となる。
【０００８】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の触媒劣化判定装置において、フィルタ上流に設けられた酸化能力を有する触媒の劣化の度合いを判定する技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の触媒劣化判定装置は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、
前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後の、前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、還元剤供給時のフィルタ前後の排気の温度の差に基づいて該フィルタ上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することにある。
【００１１】
ここで、「規定の時間」とは、還元剤の供給によりフィルタの温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒に還元剤を供給した場合と、劣化した前段触媒に還元剤を供給した場合と、でフィルタ前後の排気の温度の差に明確な違いが表れる時間である。
【００１２】
このように構成された内燃機関の触媒劣化判定装置では、前段触媒に還元剤が供給されると、該前段触媒において還元剤が反応し、排気の温度が上昇する。このようにして温度が上昇した排気が下流のパティキュレートフィルタに流入すると、該パティキュレートフィルタに捕獲されている粒子状物質が酸化され、除去される。この場合、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は高く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は小さくなる。
【００１３】
ここで、前段触媒は、排気の熱に晒されて、更には還元剤の反応により発生した熱に晒されて劣化を生じる。この劣化の度合いが大きくなると、還元剤の酸化能力が低下して排気の温度を上昇させることが困難となる。そして、未反応の還元剤がパティキュレートフィルタに流入すると、該パティキュレートフィルタにて還元剤が反応し、粒子状物質が酸化されると共に排気の温度が上昇する。この場合、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は低く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は大きくなる。
【００１４】
このように、前段触媒の劣化の度合いにより、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が変化する。即ち、劣化の度合いが大きくなるほど、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が大きくなる。従って、パティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差に基づいて、該パティキュレートフィルタよりも上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００１５】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の触媒劣化判定装置は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、
前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後であって、そのときから規定の期間内の前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差の増加率が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする。
【００１６】
本発明の最大の特徴は、還元剤供給時のフィルタ前後の排気の温度の差の増加率に基づいて該フィルタ上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することにある。
【００１７】
ここで、「規定の時間」とは、還元剤の供給によりフィルタの温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒に還元剤を供給した場合と、劣化した前段触媒に還元剤を供給した場合と、でフィルタ前後の排気の温度の差の増加率に明確な違いが表れる時間である。
【００１８】
また、「規定の期間」とは、内燃機関の運転状態等によりフィルタ前後の排気温度の差が変動した場合であっても、その変動が前段触媒の劣化判定に影響を及ぼさないほど十分に長い期間である。即ち、排気温度の差は、内燃機関の運転状態等によっても変動する。そのため、微小時間における排気温度の差の増加率に基づいて、前段触媒の劣化の度合いを判定すると、誤判定する虞がある。そこで、誤判定する虞のない期間を予め求めておき、「規定の期間」として定めておく。
【００１９】
前記したように、前段触媒に劣化が生じていない場合若しくは劣化の度合いが小さい場合には、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は高く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は小さくなる。そして、劣化の度合いが大きくなると、該パティキュレートフィルタにおける排気の温度上昇が大きくなる。
【００２０】
このように、前段触媒の劣化の度合いにより、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が変化する。そして、劣化の度合いが大きくなるほど前記温度差は大きくなり、還元剤供給時の温度差の増加率が大きくなる。従って、パティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差の増加率に基づいて、該パティキュレートフィルタよりも上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００２１】
第１及び第２の発明においては、前記還元剤供給手段は、前記前段触媒の劣化の度合いが許容される度合いよりも大きいと判定された場合に、前記前段触媒に供給する還元剤濃度を低下させて粒子状物質の除去を行うことができる。
【００２２】
ここで、「許容される度合い」とは、現在の還元剤濃度で前段触媒に還元剤を供給したときに、フィルタの再生を行うことのできる劣化の度合いの限界である。
【００２３】
ここで、還元剤の濃度を低くすると前段触媒の主に上流側で還元剤が反応し、還元剤濃度を高くするに伴い下流側で反応するようになる。前段触媒の上流側で還元剤が反応すると、反応により生じた熱が該前段触媒の温度上昇のために作用してしまい、下流のパティキュレートフィルタの温度上昇が緩慢となる。従って、排気中の還元剤濃度を高くすることにより、効率良く粒子状物質の除去を行うことができ、還元剤の供給量を抑えることができる。しかし、前段触媒が劣化していると、還元剤が前段触媒において反応しないまま下流へと流出する虞がある。そこで、前段触媒に劣化が生じている場合には、濃度を低下させて還元剤を供給することにより前段触媒からの還元剤の流出を抑制することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２６】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２７】
エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００２８】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。
この燃料ポンプ６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエンジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２９】
このように構成された燃料噴射系では、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧された燃料が各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３０】
次に、エンジン１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。
【００３１】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１０が取り付けられている。このエアフローメータ１０によりエンジン１の吸入空気量を算出することができる。
【００３２】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１１が設けられている。この吸気絞り弁１１の開度を調整することにより、エンジン１の吸入空気量を調整することができる。この吸気絞り弁１１には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１１を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１２が取り付けられている。
【００３３】
一方、エンジン１には、排気枝管１３が接続され、排気枝管１３の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒２の燃焼室と連通している。前記排気枝管１３は、排気管１４と接続され、この排気管１４は、下流にて大気へと通じている。
【００３４】
前記排気管１４の途中には、酸化触媒を担持した前段触媒１５が設けられている。また、前段触媒１５の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒とする。）を担持し、且つ排気中に含まれる粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）を捕獲するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１６が設けられている。フィルタ１６は、例えばコージェライトのような多孔質材料からなり、アルミナの担体の層が形成され、この担体上にＮＯｘ触媒が坦持されている。
【００３５】
このフィルタ１６に担持されたＮＯｘ触媒は、該フィルタ１６に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵（吸収、吸着、付着でも良い。）し、一方、該フィルタ１６に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯｘを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の燃料が存在していれば、ＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘが還元される。
【００３６】
一方、フィルタ１６により、排気中のＰＭが一旦捕獲され、大気中への放出が防止される。
【００３７】
また、前段触媒１５とフィルタ１６との間の排気管１４には、該排気管１４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第１排気温度センサ１７が取り付けられている。一方、フィルタ１６より下流の排気管１４には、該排気管１４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第２排気温度センサ１８が取り付けられている。この第２排気温度センサ１８により測定された排気温度と、第１排気温度センサ１７により測定された排気温度と、の差により、フィルタ１６前後の排気温度の差を得ることができる。
【００３８】
更に、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ２２が設けられている。このクランクポジションセンサ２２により、エンジン回転数を得ることができる。
【００３９】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１が併設されている。このＥＣＵ２１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４０】
ＥＣＵ２１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２３の出力信号が入力されるようになっている。このアクセル開度センサ２３の出力信号により、エンジン負荷を得ることができる。
【００４１】
一方、ＥＣＵ２１には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１２等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ２１が制御することが可能になっている。
【００４２】
ところで、フィルタ１６に捕獲されたＰＭが該フィルタ１６に堆積するとフィルタ１６の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ１６上流の排気の圧力が上昇し、エンジン１の出力低下やフィルタ１６の毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ１６上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。このフィルタの再生は、例えば炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を前段触媒１５より上流から供給し、このときに該前段触媒１５で発生する熱により温度上昇した排気をフィルタ１６に流通させて行うことができる。従って、エンジン１からの排気の温度が低い場合は、フィルタ１６の目詰まりが発生する前に、前段触媒１５にＨＣや一酸化炭素ＣＯ等を供給して排気の温度を上昇させ、フィルタ１６に堆積したＰＭを酸化させる必要がある。
【００４３】
前段触媒１５へＨＣを供給する方法としては、エンジン１で燃料噴射弁３からの主噴射の後の膨張行程中若しくは排気行程中に、再度燃料を噴射させる副噴射を例示することができる。この副噴射により噴射された燃料（ＨＣ）は、噴射時期によっては燃焼せずに気筒２から排出される。しかも、この排出されたＨＣは、主噴射による高温の燃焼ガスにより改質され、前段触媒１５にて反応しやすい状態となっている。
【００４４】
しかし、前段触媒１５に劣化が生じＨＣの酸化能力が低下していると、該前段触媒１５で反応するＨＣが減少してしまう。このような劣化が生じると、フィルタ１６の上流側では温度上昇が緩慢となり、ＰＭの酸化が困難となる。また、ＰＭの酸化に必要となる温度まで排気の温度を上昇させるために多量のＨＣを必要とし、燃費が悪化してしまう。更に、ＰＭの酸化が十分に行われずフィルタ１６にＰＭが堆積し、フィルタ１６より上流の排気の圧力が上昇することがある。これにより、フィルタ１６の毀損やエンジン１の毀損を誘発させる虞がある。
【００４５】
その点、本実施の形態では、フィルタ１６より下流の排気の温度と、フィルタ１６より上流且つ前段触媒１５より下流の排気の温度と、の差に基づいて前段触媒１５の劣化の度合いを判定することができる。前段触媒１５の劣化の度合いが大きい場合には、ユーザに警告を発し前段触媒１５を交換することや、劣化の度合いに応じたフィルタ１６の再生方法を選択することが可能となる。
【００４６】
図２は、ＨＣ供給時の第２排気温度センサ１８により測定された排気温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気温度との差の時間推移を示したタイムチャート図である。
【００４７】
ここで、新品状態の前段触媒１５にＨＣが供給されると、該前段触媒１５においてＨＣが反応し、排気の温度が上昇する。このようにして温度が上昇した排気が下流のフィルタ１６に流入すると、該フィルタ１６に捕獲されているＰＭが酸化され、除去される。この場合、前段触媒１５から流出する排気の温度、即ち、フィルタ１６よりも上流の排気の温度は高い。また、フィルタ１６では、ＰＭが酸化される熱により排気の温度は更に上昇するが、該フィルタ１６に流入する排気の温度が高いため、該フィルタ１６よりも下流の排気の温度との差は、例えば５０℃と小さい。即ち、新品状態の前段触媒１５では、第２排気温度センサ１８により測定された排気の温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気の温度との差は小さくなる。
【００４８】
一方、劣化の度合いが大きい前段触媒１５では、ＨＣを酸化する能力が低下して、該前段触媒１５において排気の温度を上昇させることが困難となる。そして、前段触媒１５で反応しなかったＨＣがフィルタ１６に流入すると、該フィルタ１６のＮＯｘ触媒でＨＣが反応し、ＰＭが酸化される。それに伴い、排気の温度が上昇する。この場合、前段触媒１５から流出する排気の温度、即ち、フィルタ１６よりも上流の排気の温度は低く、該フィルタ１６よりも下流の排気の温度との差は大きくなる。即ち、劣化の度合いが大きい前段触媒１５では、第２排気温度センサ１８により測定された排気の温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気の温度との差は、例えば２００℃と大きくなる。
【００４９】
このように、前段触媒１５の劣化の度合いによりＨＣ供給時のフィルタ１６より下流の排気の温度と上流の排気の温度との差（以下、単に「排気温度の差」とする。）が変化する。従って、前記排気温度の差に基づいて、該フィルタ１６よりも上流に設けられた前段触媒１５の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００５０】
例えば、ＨＣ供給開始から規定の時間経過した後の前記排気温度の差を算出し、この排気温度の差が大きいほど劣化の度合いが大きいと判定しても良い。ここで、「規定の時間」とは、ＨＣの供給によりフィルタ１６の温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒１５にＨＣを供給した場合と、劣化した前段触媒１５にＨＣを供給した場合と、で前記排気温度の差に明確な違いが表れる時間であり、予め実験等により求めておく。また、規定の時間経過後の前記排気温度の差と劣化の度合いとの関係を予め実験等により求めマップ化し、該マップへ前記排気温度の差を代入して劣化の度合いを得るようにしても良い。
【００５１】
また、本実施の形態では、ＨＣ供給開始から規定の時間経過した後の前記排気温度の差が規定の差以上の場合に前段触媒１５の劣化の度合いが許容範囲よりも大きいとしても良い。ここで、「規定の差」とは、許容範囲以上に劣化した前段触媒１５にＨＣを供給したときの排気温度の差であり、予め実験等により求めておく。
【００５２】
更に、本実施の形態では、前記排気温度の差の増加率により劣化の度合いを判定しても良い。即ち、図２を見ても分かるように、前段触媒１５が劣化していると、前記排気温度の差が大きくなり、排気温度の差が増加していく途中の増加率も大きくなる。そこで、新品状態の前段触媒１５の排気温度の差の増加率を予め実験等により求めておき、この新品状態の排気温度の差の増加率に対してどれだけ大きくなっているか比較することにより劣化の度合いを得ることができる。ここで、排気温度の差は、エンジン１の運転状態によっても変動する。そのため、微小時間における排気温度の差の増加率に基づいて、前段触媒１５の劣化の度合いを判定すると、誤判定する虞がある。そこで、誤判定する虞のない期間を予め実験等により求めておき、この期間中に増加した排気温度の差を該期間で除した値を増加率として前段触媒１５の劣化の度合いを判定しても良い。また、ＨＣ供給開始から前記排気温度の差が増加するまでにある程度の時間を要するため、ＨＣ供給開始から排気温度の差の増加率が大きくなるまでの時間を予め実験等により求め、この時間が経過してから前記排気温度の差の増加率を求めても良い。さらに、排気温度の差の増加率になまし処理等を加えて前段触媒１５の劣化の度合いを判定しても良い。
【００５３】
このようにして、該前段触媒１５よりも下流のフィルタ１６から流出する排気温度とフィルタ１６に流入する排気温度との差が大きいほど、若しくは、排気温度の差の増加率が大きいほど、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定することができる。そして、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、ユーザに警告することにより、該前段触媒１５の交換を促すことができる。また、前段触媒１５の劣化の度合いに応じたＨＣの供給を行うことも可能となる。以上により、燃費の悪化やフィルタ１６の毀損、更にはエンジン１の毀損を抑制することができる。
【００５４】
尚、本実施の形態においては、前段触媒１５は、酸化能力を有する触媒を担持していれば良く、酸化触媒に代えて、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒や三元触媒を担持していても良い。
【００５５】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合に、該前段触媒１５に供給するＨＣ濃度を低下させる点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５６】
ここで、ＨＣ濃度の低い排気（例えば、ＨＣ濃度が４００ｐ．ｐ．ｍ．の排気）を前段触媒１５に供給すると、該前段触媒１５の主に上流側でＨＣが反応する。この場合、酸化反応により発生した熱の一部は前段触媒１５の温度上昇のために消費され、ＨＣの供給量に対して前段触媒１５から流出する排気の温度が低くなる。
【００５７】
一方、ＨＣ濃度の高い排気（例えば、ＨＣ濃度が１００００ｐ．ｐ．ｍ．の排気）を前段触媒１５に供給すると、該前段触媒１５の主に下流側でＨＣが反応する。この場合、酸化反応により発生した熱による前段触媒１５の温度上昇が小さくなる。即ち、前段触媒１５の下流側でＨＣが反応するため、このときに発生した熱は前段触媒１５の温度を上昇させる前に該前段触媒１５から流出する。従って、ＨＣ濃度が高い排気を前段触媒１５に供給することにより、効率良くフィルタ１６の温度を上昇させることができ、燃費を向上させることができる。
【００５８】
しかし、前段触媒１５の劣化の度合いが大きくなると、該前段触媒１５でのＨＣの酸化能力が低下するため、ＨＣ濃度が高い排気を前段触媒１５に供給すると該前段触媒１５で反応しないまま下流へ流出するＨＣが多くなる。このように流出するＨＣが多くなると、フィルタ１６でＨＣが反応することになるが、該フィルタ１６の上流側では温度上昇が緩慢となり、該上流側ではＰＭの酸化が困難となる。
【００５９】
その点、本実施の形態では、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、前記副噴射による噴射量を減量することによりＨＣ濃度を減少させる。ここで、ＨＣ濃度と吸入空気量、主噴射の燃料噴射量、副噴射の燃料噴射量との関係を予め求めてマップ化しておき、該マップへ目標となるＨＣ濃度、吸入空気量、主噴射の燃料噴射量を代入して、副噴射の燃料噴射量を得ることができる。尚、噴射の燃料噴射量は、該燃料噴射量とエンジン回転数とアクセル開度との関係を予め実験等により求めマップ化しておき、該マップへエンジン回転数とアクセル開度とを代入して得ることができる。
【００６０】
例えば、前段触媒１５の劣化の度合いが小さいと判定された場合には、ＨＣ濃度が例えば１００００ｐ．ｐ．ｍ．となるように副噴射の燃料噴射量を調整する。一方、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、ＨＣ濃度が例えば４００ｐ．ｐ．ｍ．となるように副噴射の燃料噴射量を調整する。
【００６１】
このようにして、前段触媒１５の劣化の度合いが小さい場合には、ＨＣ濃度が高い排気を該前段触媒１５に流入させてフィルタの再生を行って燃費を向上させ、一方、前段触媒１５の劣化の度合いが大きい場合には、ＨＣ濃度の低い排気を該前段触媒１５に流入させてフィルタの再生を行うことができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置では、前段触媒よりも下流のフィルタから流出する排気温度とフィルタに流入する排気温度との差が大きいほど、若しくは、排気温度の差の増加率が大きいほど、前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を適用するエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】ＨＣ供給時の第２排気温度センサにより測定された排気温度と第１排気温度センサにより測定された排気温度との差の時間推移を示したタイムチャート図である。
【符号の説明】
１ エンジン
１ａ クランクプーリ
１ｂ 排気ポート
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ コモンレール
５ 燃料供給管
６ 燃料ポンプ
６ａ ポンププーリ
７ ベルト
８ 吸気枝管
９ 吸気管
１０ エアフローメータ
１１ 吸気絞り弁
１２ 吸気絞り用アクチュエータ
１３ 排気枝管
１４ 排気管
１５ 前段触媒
１６ パティキュレートフィルタ
１７ 第１排気温度センサ
１８ 第２排気温度センサ
２１ ＥＣＵ
２２ クランクポジションセンサ
２３ アクセル開度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の触媒劣化判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないように排気系にＰＭの捕獲を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕獲され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕獲されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
このフィルタの再生は、該フィルタの上流に酸化能力を有する触媒を設け、該酸化能力を有する触媒に還元剤を供給したときに発生する熱により高温となった排気をフィルタに流通させることにより行うことができる。
【０００５】
ところで、フィルタ上流に備えられた酸化触媒は、排気の熱や還元剤供給時の温度上昇により劣化する。この劣化の度合いが大きくなると、酸化触媒で反応する還元剤の量が減り、該酸化触媒下流へ流出する還元剤の量が増加する。そのため、フィルタに捕獲された粒子状物質を除去するために多くの還元剤が必要となってしまう。また、フィルタに捕獲された粒子状物質の除去が十分に行われずに、フィルタの目詰まりが生じる虞もある。このような酸化触媒の劣化を検出することができれば、ユーザ等に酸化触媒の交換を促すことができ、還元剤の供給量の増加を抑制し、また、フィルタの目詰まりを抑制することができる。そして、酸化能力を有する触媒の劣化を抑制する技術として、例えば、フィルタ上流に酸化触媒を備え、酸化触媒より上流から還元剤たる燃料を供給してＰＭを除去し、フィルタの再生を行う必要がないときには排気が酸化触媒を通過しないようにする技術（例えば、特許文献１参照。）が知られている。また、フィルタ上流に備えられた酸化触媒の劣化を判定する技術（例えば、特許文献２参照。）、フィルタ上流と下流との排気温度の差に基づいて還元剤の供給量を補正する技術（例えば、特許文献３参照。）が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６０−４３１１３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２７６３６号公報
【特許文献３】
特開平５−２２２９１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フィルタの再生を実施しているときには、酸化触媒に排気を流通させるため、度合いは低いが劣化を生じてしまう。このような劣化の度合いを判定することができれば、ユーザ等に触媒の交換を促したり、その劣化の度合いに応じたフィルタの再生を行ったりすることが可能となる。
【０００８】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の触媒劣化判定装置において、フィルタ上流に設けられた酸化能力を有する触媒の劣化の度合いを判定する技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の触媒劣化判定装置は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、
前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後の、前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、還元剤供給時のフィルタ前後の排気の温度の差に基づいて該フィルタ上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することにある。
【００１１】
ここで、「規定の時間」とは、還元剤の供給によりフィルタの温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒に還元剤を供給した場合と、劣化した前段触媒に還元剤を供給した場合と、でフィルタ前後の排気の温度の差に明確な違いが表れる時間である。
【００１２】
このように構成された内燃機関の触媒劣化判定装置では、前段触媒に還元剤が供給されると、該前段触媒において還元剤が反応し、排気の温度が上昇する。このようにして温度が上昇した排気が下流のパティキュレートフィルタに流入すると、該パティキュレートフィルタに捕獲されている粒子状物質が酸化され、除去される。この場合、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は高く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は小さくなる。
【００１３】
ここで、前段触媒は、排気の熱に晒されて、更には還元剤の反応により発生した熱に晒されて劣化を生じる。この劣化の度合いが大きくなると、還元剤の酸化能力が低下して排気の温度を上昇させることが困難となる。そして、未反応の還元剤がパティキュレートフィルタに流入すると、該パティキュレートフィルタにて還元剤が反応し、粒子状物質が酸化されると共に排気の温度が上昇する。この場合、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は低く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は大きくなる。
【００１４】
このように、前段触媒の劣化の度合いにより、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が変化する。即ち、劣化の度合いが大きくなるほど、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が大きくなる。従って、パティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差に基づいて、該パティキュレートフィルタよりも上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００１５】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の触媒劣化判定装置は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、
前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後であって、そのときから規定の期間内の前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差の増加率が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする。
【００１６】
本発明の最大の特徴は、還元剤供給時のフィルタ前後の排気の温度の差の増加率に基づいて該フィルタ上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することにある。
【００１７】
ここで、「規定の時間」とは、還元剤の供給によりフィルタの温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒に還元剤を供給した場合と、劣化した前段触媒に還元剤を供給した場合と、でフィルタ前後の排気の温度の差の増加率に明確な違いが表れる時間である。
【００１８】
また、「規定の期間」とは、内燃機関の運転状態等によりフィルタ前後の排気温度の差が変動した場合であっても、その変動が前段触媒の劣化判定に影響を及ぼさないほど十分に長い期間である。即ち、排気温度の差は、内燃機関の運転状態等によっても変動する。そのため、微小時間における排気温度の差の増加率に基づいて、前段触媒の劣化の度合いを判定すると、誤判定する虞がある。そこで、誤判定する虞のない期間を予め求めておき、「規定の期間」として定めておく。
【００１９】
前記したように、前段触媒に劣化が生じていない場合若しくは劣化の度合いが小さい場合には、前段触媒から流出する排気の温度、即ち、パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度は高く、該パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度との差は小さくなる。そして、劣化の度合いが大きくなると、該パティキュレートフィルタにおける排気の温度上昇が大きくなる。
【００２０】
このように、前段触媒の劣化の度合いにより、還元剤供給時のパティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差が変化する。そして、劣化の度合いが大きくなるほど前記温度差は大きくなり、還元剤供給時の温度差の増加率が大きくなる。従って、パティキュレートフィルタ下流の排気の温度と上流の排気の温度との差の増加率に基づいて、該パティキュレートフィルタよりも上流に設けられた前段触媒の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００２１】
第１及び第２の発明においては、前記還元剤供給手段は、前記前段触媒の劣化の度合いが許容される度合いよりも大きいと判定された場合に、前記前段触媒に供給する還元剤濃度を低下させて粒子状物質の除去を行うことができる。
【００２２】
ここで、「許容される度合い」とは、現在の還元剤濃度で前段触媒に還元剤を供給したときに、フィルタの再生を行うことのできる劣化の度合いの限界である。
【００２３】
ここで、還元剤の濃度を低くすると前段触媒の主に上流側で還元剤が反応し、還元剤濃度を高くするに伴い下流側で反応するようになる。前段触媒の上流側で還元剤が反応すると、反応により生じた熱が該前段触媒の温度上昇のために作用してしまい、下流のパティキュレートフィルタの温度上昇が緩慢となる。従って、排気中の還元剤濃度を高くすることにより、効率良く粒子状物質の除去を行うことができ、還元剤の供給量を抑えることができる。しかし、前段触媒が劣化していると、還元剤が前段触媒において反応しないまま下流へと流出する虞がある。そこで、前段触媒に劣化が生じている場合には、濃度を低下させて還元剤を供給することにより前段触媒からの還元剤の流出を抑制することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を適用するエンジン１とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２６】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２７】
エンジン１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００２８】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。
この燃料ポンプ６は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａがエンジン１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２９】
このように構成された燃料噴射系では、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧された燃料が各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３０】
次に、エンジン１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。
【００３１】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１０が取り付けられている。このエアフローメータ１０によりエンジン１の吸入空気量を算出することができる。
【００３２】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１１が設けられている。この吸気絞り弁１１の開度を調整することにより、エンジン１の吸入空気量を調整することができる。この吸気絞り弁１１には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１１を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１２が取り付けられている。
【００３３】
一方、エンジン１には、排気枝管１３が接続され、排気枝管１３の各枝管が排気ポート１ｂを介して各気筒２の燃焼室と連通している。前記排気枝管１３は、排気管１４と接続され、この排気管１４は、下流にて大気へと通じている。
【００３４】
前記排気管１４の途中には、酸化触媒を担持した前段触媒１５が設けられている。また、前段触媒１５の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒とする。）を担持し、且つ排気中に含まれる粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」という。）を捕獲するためのパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１６が設けられている。フィルタ１６は、例えばコージェライトのような多孔質材料からなり、アルミナの担体の層が形成され、この担体上にＮＯｘ触媒が坦持されている。
【００３５】
このフィルタ１６に担持されたＮＯｘ触媒は、該フィルタ１６に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵（吸収、吸着、付着でも良い。）し、一方、該フィルタ１６に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたＮＯｘを放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の燃料が存在していれば、ＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘが還元される。
【００３６】
一方、フィルタ１６により、排気中のＰＭが一旦捕獲され、大気中への放出が防止される。
【００３７】
また、前段触媒１５とフィルタ１６との間の排気管１４には、該排気管１４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第１排気温度センサ１７が取り付けられている。一方、フィルタ１６より下流の排気管１４には、該排気管１４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する第２排気温度センサ１８が取り付けられている。この第２排気温度センサ１８により測定された排気温度と、第１排気温度センサ１７により測定された排気温度と、の差により、フィルタ１６前後の排気温度の差を得ることができる。
【００３８】
更に、エンジン１には、クランクシャフトの回転位置に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ２２が設けられている。このクランクポジションセンサ２２により、エンジン回転数を得ることができる。
【００３９】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１が併設されている。このＥＣＵ２１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４０】
ＥＣＵ２１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号の他、運転者がアクセルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２３の出力信号が入力されるようになっている。このアクセル開度センサ２３の出力信号により、エンジン負荷を得ることができる。
【００４１】
一方、ＥＣＵ２１には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１２等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ２１が制御することが可能になっている。
【００４２】
ところで、フィルタ１６に捕獲されたＰＭが該フィルタ１６に堆積するとフィルタ１６の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ１６上流の排気の圧力が上昇し、エンジン１の出力低下やフィルタ１６の毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ１６上に堆積したＰＭを酸化せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。このフィルタの再生は、例えば炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を前段触媒１５より上流から供給し、このときに該前段触媒１５で発生する熱により温度上昇した排気をフィルタ１６に流通させて行うことができる。従って、エンジン１からの排気の温度が低い場合は、フィルタ１６の目詰まりが発生する前に、前段触媒１５にＨＣや一酸化炭素ＣＯ等を供給して排気の温度を上昇させ、フィルタ１６に堆積したＰＭを酸化させる必要がある。
【００４３】
前段触媒１５へＨＣを供給する方法としては、エンジン１で燃料噴射弁３からの主噴射の後の膨張行程中若しくは排気行程中に、再度燃料を噴射させる副噴射を例示することができる。この副噴射により噴射された燃料（ＨＣ）は、噴射時期によっては燃焼せずに気筒２から排出される。しかも、この排出されたＨＣは、主噴射による高温の燃焼ガスにより改質され、前段触媒１５にて反応しやすい状態となっている。
【００４４】
しかし、前段触媒１５に劣化が生じＨＣの酸化能力が低下していると、該前段触媒１５で反応するＨＣが減少してしまう。このような劣化が生じると、フィルタ１６の上流側では温度上昇が緩慢となり、ＰＭの酸化が困難となる。また、ＰＭの酸化に必要となる温度まで排気の温度を上昇させるために多量のＨＣを必要とし、燃費が悪化してしまう。更に、ＰＭの酸化が十分に行われずフィルタ１６にＰＭが堆積し、フィルタ１６より上流の排気の圧力が上昇することがある。これにより、フィルタ１６の毀損やエンジン１の毀損を誘発させる虞がある。
【００４５】
その点、本実施の形態では、フィルタ１６より下流の排気の温度と、フィルタ１６より上流且つ前段触媒１５より下流の排気の温度と、の差に基づいて前段触媒１５の劣化の度合いを判定することができる。前段触媒１５の劣化の度合いが大きい場合には、ユーザに警告を発し前段触媒１５を交換することや、劣化の度合いに応じたフィルタ１６の再生方法を選択することが可能となる。
【００４６】
図２は、ＨＣ供給時の第２排気温度センサ１８により測定された排気温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気温度との差の時間推移を示したタイムチャート図である。
【００４７】
ここで、新品状態の前段触媒１５にＨＣが供給されると、該前段触媒１５においてＨＣが反応し、排気の温度が上昇する。このようにして温度が上昇した排気が下流のフィルタ１６に流入すると、該フィルタ１６に捕獲されているＰＭが酸化され、除去される。この場合、前段触媒１５から流出する排気の温度、即ち、フィルタ１６よりも上流の排気の温度は高い。また、フィルタ１６では、ＰＭが酸化される熱により排気の温度は更に上昇するが、該フィルタ１６に流入する排気の温度が高いため、該フィルタ１６よりも下流の排気の温度との差は、例えば５０℃と小さい。即ち、新品状態の前段触媒１５では、第２排気温度センサ１８により測定された排気の温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気の温度との差は小さくなる。
【００４８】
一方、劣化の度合いが大きい前段触媒１５では、ＨＣを酸化する能力が低下して、該前段触媒１５において排気の温度を上昇させることが困難となる。そして、前段触媒１５で反応しなかったＨＣがフィルタ１６に流入すると、該フィルタ１６のＮＯｘ触媒でＨＣが反応し、ＰＭが酸化される。それに伴い、排気の温度が上昇する。この場合、前段触媒１５から流出する排気の温度、即ち、フィルタ１６よりも上流の排気の温度は低く、該フィルタ１６よりも下流の排気の温度との差は大きくなる。即ち、劣化の度合いが大きい前段触媒１５では、第２排気温度センサ１８により測定された排気の温度と第１排気温度センサ１７により測定された排気の温度との差は、例えば２００℃と大きくなる。
【００４９】
このように、前段触媒１５の劣化の度合いによりＨＣ供給時のフィルタ１６より下流の排気の温度と上流の排気の温度との差（以下、単に「排気温度の差」とする。）が変化する。従って、前記排気温度の差に基づいて、該フィルタ１６よりも上流に設けられた前段触媒１５の劣化の度合いを判定することが可能となる。
【００５０】
例えば、ＨＣ供給開始から規定の時間経過した後の前記排気温度の差を算出し、この排気温度の差が大きいほど劣化の度合いが大きいと判定しても良い。ここで、「規定の時間」とは、ＨＣの供給によりフィルタ１６の温度が上昇を開始した後の時間であって、新品の前段触媒１５にＨＣを供給した場合と、劣化した前段触媒１５にＨＣを供給した場合と、で前記排気温度の差に明確な違いが表れる時間であり、予め実験等により求めておく。また、規定の時間経過後の前記排気温度の差と劣化の度合いとの関係を予め実験等により求めマップ化し、該マップへ前記排気温度の差を代入して劣化の度合いを得るようにしても良い。
【００５１】
また、本実施の形態では、ＨＣ供給開始から規定の時間経過した後の前記排気温度の差が規定の差以上の場合に前段触媒１５の劣化の度合いが許容範囲よりも大きいとしても良い。ここで、「規定の差」とは、許容範囲以上に劣化した前段触媒１５にＨＣを供給したときの排気温度の差であり、予め実験等により求めておく。
【００５２】
更に、本実施の形態では、前記排気温度の差の増加率により劣化の度合いを判定しても良い。即ち、図２を見ても分かるように、前段触媒１５が劣化していると、前記排気温度の差が大きくなり、排気温度の差が増加していく途中の増加率も大きくなる。そこで、新品状態の前段触媒１５の排気温度の差の増加率を予め実験等により求めておき、この新品状態の排気温度の差の増加率に対してどれだけ大きくなっているか比較することにより劣化の度合いを得ることができる。ここで、排気温度の差は、エンジン１の運転状態によっても変動する。そのため、微小時間における排気温度の差の増加率に基づいて、前段触媒１５の劣化の度合いを判定すると、誤判定する虞がある。そこで、誤判定する虞のない期間を予め実験等により求めておき、この期間中に増加した排気温度の差を該期間で除した値を増加率として前段触媒１５の劣化の度合いを判定しても良い。また、ＨＣ供給開始から前記排気温度の差が増加するまでにある程度の時間を要するため、ＨＣ供給開始から排気温度の差の増加率が大きくなるまでの時間を予め実験等により求め、この時間が経過してから前記排気温度の差の増加率を求めても良い。さらに、排気温度の差の増加率になまし処理等を加えて前段触媒１５の劣化の度合いを判定しても良い。
【００５３】
このようにして、該前段触媒１５よりも下流のフィルタ１６から流出する排気温度とフィルタ１６に流入する排気温度との差が大きいほど、若しくは、排気温度の差の増加率が大きいほど、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定することができる。そして、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、ユーザに警告することにより、該前段触媒１５の交換を促すことができる。また、前段触媒１５の劣化の度合いに応じたＨＣの供給を行うことも可能となる。以上により、燃費の悪化やフィルタ１６の毀損、更にはエンジン１の毀損を抑制することができる。
【００５４】
尚、本実施の形態においては、前段触媒１５は、酸化能力を有する触媒を担持していれば良く、酸化触媒に代えて、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒や三元触媒を担持していても良い。
【００５５】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合に、該前段触媒１５に供給するＨＣ濃度を低下させる点で相違する。尚、本実施の形態においては、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００５６】
ここで、ＨＣ濃度の低い排気（例えば、ＨＣ濃度が４００ｐ．ｐ．ｍ．の排気）を前段触媒１５に供給すると、該前段触媒１５の主に上流側でＨＣが反応する。この場合、酸化反応により発生した熱の一部は前段触媒１５の温度上昇のために消費され、ＨＣの供給量に対して前段触媒１５から流出する排気の温度が低くなる。
【００５７】
一方、ＨＣ濃度の高い排気（例えば、ＨＣ濃度が１００００ｐ．ｐ．ｍ．の排気）を前段触媒１５に供給すると、該前段触媒１５の主に下流側でＨＣが反応する。この場合、酸化反応により発生した熱による前段触媒１５の温度上昇が小さくなる。即ち、前段触媒１５の下流側でＨＣが反応するため、このときに発生した熱は前段触媒１５の温度を上昇させる前に該前段触媒１５から流出する。従って、ＨＣ濃度が高い排気を前段触媒１５に供給することにより、効率良くフィルタ１６の温度を上昇させることができ、燃費を向上させることができる。
【００５８】
しかし、前段触媒１５の劣化の度合いが大きくなると、該前段触媒１５でのＨＣの酸化能力が低下するため、ＨＣ濃度が高い排気を前段触媒１５に供給すると該前段触媒１５で反応しないまま下流へ流出するＨＣが多くなる。このように流出するＨＣが多くなると、フィルタ１６でＨＣが反応することになるが、該フィルタ１６の上流側では温度上昇が緩慢となり、該上流側ではＰＭの酸化が困難となる。
【００５９】
その点、本実施の形態では、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、前記副噴射による噴射量を減量することによりＨＣ濃度を減少させる。ここで、ＨＣ濃度と吸入空気量、主噴射の燃料噴射量、副噴射の燃料噴射量との関係を予め求めてマップ化しておき、該マップへ目標となるＨＣ濃度、吸入空気量、主噴射の燃料噴射量を代入して、副噴射の燃料噴射量を得ることができる。尚、噴射の燃料噴射量は、該燃料噴射量とエンジン回転数とアクセル開度との関係を予め実験等により求めマップ化しておき、該マップへエンジン回転数とアクセル開度とを代入して得ることができる。
【００６０】
例えば、前段触媒１５の劣化の度合いが小さいと判定された場合には、ＨＣ濃度が例えば１００００ｐ．ｐ．ｍ．となるように副噴射の燃料噴射量を調整する。一方、前段触媒１５の劣化の度合いが大きいと判定された場合には、ＨＣ濃度が例えば４００ｐ．ｐ．ｍ．となるように副噴射の燃料噴射量を調整する。
【００６１】
このようにして、前段触媒１５の劣化の度合いが小さい場合には、ＨＣ濃度が高い排気を該前段触媒１５に流入させてフィルタの再生を行って燃費を向上させ、一方、前段触媒１５の劣化の度合いが大きい場合には、ＨＣ濃度の低い排気を該前段触媒１５に流入させてフィルタの再生を行うことができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の触媒劣化判定装置では、前段触媒よりも下流のフィルタから流出する排気温度とフィルタに流入する排気温度との差が大きいほど、若しくは、排気温度の差の増加率が大きいほど、前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る内燃機関の触媒劣化判定装置を適用するエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】ＨＣ供給時の第２排気温度センサにより測定された排気温度と第１排気温度センサにより測定された排気温度との差の時間推移を示したタイムチャート図である。
【符号の説明】
１ エンジン
１ａ クランクプーリ
１ｂ 排気ポート
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ コモンレール
５ 燃料供給管
６ 燃料ポンプ
６ａ ポンププーリ
７ ベルト
８ 吸気枝管
９ 吸気管
１０ エアフローメータ
１１ 吸気絞り弁
１２ 吸気絞り用アクチュエータ
１３ 排気枝管
１４ 排気管
１５ 前段触媒
１６ パティキュレートフィルタ
１７ 第１排気温度センサ
１８ 第２排気温度センサ
２１ ＥＣＵ
２２ クランクポジションセンサ
２３ アクセル開度センサ
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後の、前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。 - 内燃機関の排気通路に設けられ酸化能力を有する前段触媒と、前記前段触媒の下流に設けられ排気中の粒子状物質を捕獲し且つ酸化能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記前段触媒の上流から還元剤を供給する還元剤供給手段と、を備え、
前記還元剤供給手段により還元剤を供給して前記パティキュレートフィルタに捕獲された粒子状物質を除去し、フィルタの再生を行う内燃機関であって、
前記前段触媒よりも下流で且つ前記パティキュレートフィルタよりも上流の排気の温度を検出する第１排気温度センサと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の温度を検出する第２排気温度センサと、を備え、
前記還元剤供給手段による粒子状物質の除去を開始してから規定の時間経過後であって、そのときから規定の期間内の前記第２排気温度センサにより検出された排気温度と前記第１排気温度センサにより検出された排気温度との差の増加率が大きいほど前記前段触媒の劣化の度合いが大きいと判定することを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。 - 前記還元剤供給手段は、前記前段触媒の劣化の度合いが許容される度合いよりも大きいと判定された場合に、前記前段触媒に供給する還元剤濃度を低下させて粒子状物質の除去を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の触媒劣化判定装置。
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