JP2005240716A - Deterioration diagnostic device for catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はディーゼルエンジンやガソリンエンジンに用いられる触媒の劣化診断装置に関する。 The present invention relates to a deterioration diagnosis device for a catalyst used in a diesel engine or a gasoline engine.
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンではエンジンから排出される有害成分を浄化するため排気通路に触媒を備えているが、使用に伴い触媒が劣化すると正規の浄化機能が得られなくなる。そこで、触媒に劣化が生じたか否かを診断するようにしたものがある(特許文献1参照)。
ところで、上記の特許文献1に記載の装置では、触媒の劣化が進むと酸化還元反応が低下し、触媒上流の酸素濃度が同じても下流の酸素濃度が異なることに着目し、リーン目標空燃比に制御中に、触媒下流側の空燃比センサの出力の基準値からの偏差を見ることにより、触媒の劣化を判定するようにしたものである。 By the way, in the apparatus described in the above-mentioned Patent Document 1, it is noticed that the oxidation-reduction reaction decreases as the deterioration of the catalyst proceeds, and even if the oxygen concentration upstream of the catalyst is the same, the downstream oxygen concentration is different. During the control, the deterioration of the catalyst is determined by looking at the deviation from the reference value of the output of the air-fuel ratio sensor on the downstream side of the catalyst.
しかし、この場合には、空燃比が目標リーン空燃比にフィードバック制御されていることを前提とし、かつ予め決められた基準値との偏差に基づいて判定しているので、触媒の個々のバラツキに対応できず、必ずしも精度の高い劣化判定が得られない。 However, in this case, it is assumed that the air-fuel ratio is feedback-controlled to the target lean air-fuel ratio, and the determination is based on a deviation from a predetermined reference value. It is not possible to cope with it, and a highly accurate deterioration determination cannot be obtained.
本発明はかかる問題を解決し、リーン空燃比であっても精度よく触媒の劣化判定を行えるようにした触媒の劣化診断装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a catalyst deterioration diagnosis apparatus that solves such a problem and that can accurately determine deterioration of a catalyst even at a lean air-fuel ratio.
本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の触媒劣化診断装置であって、排気通路に設けられ排気中の有害成分を浄化する触媒と、前記触媒上流側の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、前記触媒下流側の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、リーン運転時に前記上流側、下流側空燃比検出手段の出力から算出した各空気過剰率の偏差を所定の基準値と比較して触媒の劣化を判定する劣化判定手段とを備える。 The present invention relates to a catalyst deterioration diagnosis device for an internal combustion engine such as a diesel engine or a gasoline engine, which is provided in an exhaust passage and purifies harmful components in exhaust gas, and an upstream side for detecting an air-fuel ratio upstream of the catalyst. Deviations of excess air ratios calculated from outputs of the air-fuel ratio detection means, the downstream air-fuel ratio detection means for detecting the air-fuel ratio downstream of the catalyst, and the upstream and downstream air-fuel ratio detection means during lean operation are predetermined. Deterioration determining means for determining deterioration of the catalyst in comparison with the reference value.
リーン運転時に触媒で排気中のHC、COなどが酸化され、これにより生じた水分が触媒に付着したときに発生する酸素イオンが触媒の劣化と共に減少するという現象に基づき、触媒の下流側と上流側の空気過剰率の偏差が劣化時ほど小さくなることに着目し、これら空気過剰率の偏差を所定の判定基準値と比較し、基準値よりも偏差が小さいときには触媒が劣化しているものと判定するようにしたので、触媒の劣化を正確に診断することができる。とくに触媒上流と下流の空燃比を検出し、これらから算出した空気過剰率の偏差を基準値と比較するので、判定時の空燃比に多少の変動があっても、あるいは触媒の個体差があっても、触媒の劣化診断が精度よく行える。 Based on the phenomenon that HC, CO, etc. in the exhaust gas are oxidized by the catalyst during lean operation, and oxygen ions generated when the resulting moisture adheres to the catalyst decrease with the deterioration of the catalyst, the downstream side and upstream side of the catalyst. Focusing on the fact that the deviation of the excess air ratio on the side becomes smaller as it deteriorates, the deviation of the excess air ratio is compared with a predetermined judgment reference value, and when the deviation is smaller than the reference value, the catalyst is deteriorated. Since the determination is made, it is possible to accurately diagnose the deterioration of the catalyst. In particular, the air-fuel ratio upstream and downstream of the catalyst is detected, and the deviation of the excess air ratio calculated from these is compared with the reference value, so even if there is some variation in the air-fuel ratio at the time of judgment, there are individual differences in the catalyst. However, the deterioration diagnosis of the catalyst can be performed with high accuracy.
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
図1において、1はディーゼルエンジンで、排気通路2と吸気通路3のコレクタ部3aとを結ぶEGR通路4に、ステップモータ5により駆動されるEGR弁6を備えている。ステップモータ5は、エンジンコントローラ31からの制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のEGR率を得るようにしている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a diesel engine, and an EGR valve 6 that is driven by a step motor 5 is provided in an EGR
エンジン1にはコモンレール式の燃料噴射装置10を備える。この燃料噴射装置10は、主に燃料タンク(図示しない)、サプライポンプ14、コモンレール(蓄圧室)16、気筒毎に設けられるノズル17からなり、サプライポンプ14により加圧された燃料は蓄圧室16にいったん蓄えられ、この蓄圧室16の高圧燃料が各気筒に設けたノズル17へと分配される。
The engine 1 includes a common rail
ノズル17(燃料噴射弁)は、電磁的に駆動される針弁を備え、ソレノイドがOFF時には、針弁が着座状態にあるが、ソレノイドON状態になると針弁が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。ソレノイドのOFFからONへの切換により燃料の噴射開始時期が、またON時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室16の圧力が同じであればON時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。
The nozzle 17 (fuel injection valve) includes an electromagnetically driven needle valve. When the solenoid is OFF, the needle valve is in a seating state, but when the solenoid is in the ON state, the needle valve rises and the nozzle hole at the tip of the nozzle More fuel is injected. The fuel injection start timing is adjusted by switching the solenoid from OFF to ON, and the fuel injection amount is adjusted by the ON time. If the pressure in the
EGR通路4の開口部下流の排気通路2に、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン22と吸気を圧縮するコンプレッサ23とを同軸で連結した可変容量ターボ過給機21を備える。タービン22のスクロール入口に、図示しないがアクチュエータにより駆動される可変ノズルが設けられ、エンジンコントローラ31により、可変ノズルは低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側ではタービン22に導入される排気の流速を高めるノズル開度に、高回転速度側では排気を抵抗なくタービン22に導入させノズル開度(全開状態)に制御する。
The
コレクタ3a入口には、図示しないアクチュエータにより駆動される吸気絞弁8が設けられている。
An
アクセル開度を検出するアクセルセンサ32、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ33、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ34、吸入空気量を検出するエアフローメータ35からの信号が入力されるエンジンコントローラ31では、これらの信号に基づいて運転状態に応じて最適な目標EGR率と目標過給圧とが得られるようにEGR制御と過給圧制御を協調して行う。
An engine to which signals from an
排気通路2には排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ41が設置される。フィルタ41のパティキュレートの堆積量が所定値に達すると、排気温度を上昇させてフィルタ41に堆積しているパティキュレートを燃焼除去して再生するため、空燃比をリーン空燃比から理論空燃比やリッチ空燃比へと切換える。
A
フィルタ41の上流側にはHCトラップ触媒42を備える。このHCトラップ触媒42は排気の低温時にHCをトラップしておき、排気が所定温度以上になるとこのトラップしていたHCを脱離して放出しつつ排気中の酸素を用いて酸化して浄化する機能を有するものである。なお、触媒活性後は通常の酸化触媒として機能する。
An
HCトラップ触媒42の前後に広域空燃比センサ43、44を設け、これら触媒42上流側の広域空燃比センサ(以下単に「上流側センサ」という)43と触媒下流側の広域空燃比センサ(以下単に「下流側センサ」という)44の出力に基づいて、前記エンジン今ローラ31が触媒劣化診断を行う。この場合、ディーゼルエンジンではリーン空燃比での運転が主であるので、リーン空燃比での運転時に上流側センサ43、下流側センサ44により検出される触媒前後の空気過剰率に基づいてHCトラップ触媒42に劣化が生じているか否かを判定する。36は触媒42の温度を検出する温度センサである。
Wide-range air-
触媒42の劣化診断原理は次の通りである。
The deterioration diagnosis principle of the
リーン空燃比での運転時にHCトラップ触媒42の劣化診断が可能になったのは、本発明者らによる、触媒42についての実験による新たな知見に基づくものである。これについて説明すると、図2は所定のリーン運転モードに従ってエンジンを運転したときの触媒入口の空気過剰率、触媒出口の空気過剰率が実際にどのように変化したのか、時間の経過を含めて、そのようすを示している。
The reason why the deterioration diagnosis of the
排気空燃比をリーン側の略一定値に制御したときに、触媒上流側の空気過剰率よりも下流側の空気過剰率が大きくなる。しかも、この空気過剰率の差は、触媒劣化時には触媒新品時より小さくなる傾向がある。 When the exhaust air-fuel ratio is controlled to a substantially constant value on the lean side, the excess air ratio on the downstream side becomes larger than the excess air ratio on the upstream side of the catalyst. Moreover, the difference in the excess air ratio tends to be smaller when the catalyst is deteriorated than when the catalyst is new.
これには次のような理由が考えられる。 The following reasons can be considered for this.
ディーゼルエンジン1から排出される有害成分は低温時にはHCとCOが主であり、これらを触媒で酸化することによって、無害なH2O、CO2へと変換する。この場合に、H2Oすなわち水分は、触媒である貴金属(例えば白金)に付着して水素H2と酸素イオンO2-とに電離し、この酸素イオン分を下流側広域空燃比センサ44が酸素として感じてしまうため、下流側センサ44では上流側センサ43より酸素濃度が多い出力をするものと考えられる。言い換えると、空気過剰率が1.0を超える領域においてH2Oのような酸素イオン由来成分に起因して触媒前後で空気過剰率の差が生じる。
The harmful components discharged from the diesel engine 1 are mainly HC and CO at low temperatures, and are converted to harmless H 2 O and CO 2 by oxidizing them with a catalyst. In this case, H 2 O, that is, moisture adheres to a noble metal (for example, platinum) as a catalyst and is ionized into hydrogen H 2 and oxygen ions O 2−, and this oxygen ion content is detected by the downstream wide area air-
そして、触媒新品時ほど触媒金属に付着したH2Oから、より多くの水素H2と酸素イオンO2-とが電離し、この影響を受けて触媒42の前後での空気過剰率の差が大きくなるものと想定できる。 Then, as the catalyst is new, more hydrogen H 2 and oxygen ions O 2− are ionized from H 2 O adhering to the catalyst metal. It can be assumed that it will grow.
なお、図2に示す触媒の特性は、HCトラップ触媒42に固有のものであるのかどうかを確かめるため、他の触媒(NOxトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等)についても同様の実験をしてみたところ、触媒の種類を問わず、触媒であれば同様の特性が得られることが判明している。従って、本実施形態では主にリーン空燃比で運転するディーゼルエンジンへの適用例を述べるが、リーン空燃比で運転することがあり、かつ排気通路に触媒を備えるガソリンエンジンについても本発明を適用できる。
In order to confirm whether the characteristics of the catalyst shown in FIG. 2 are unique to the
上記の上流側センサ43と下流側センサ44(広域空燃比センサ)とは、それぞれ上流側と下流側の空燃比検出手段及び酸素イオン由来成分検出手段として機能し、また、出力が理論空燃比を境にして比較的大きく変化する酸素センサであっても、リーン領域で酸素濃度に応じてある程度の出力変化があるので、これも空燃比検出手段及び酸素イオン由来成分検出手段として用いることは可能である。
The
ここで、エンジンコントローラ31により実行される触媒の診断内容を、図3、図4のフローチャートにより詳述する。まず、図3は触媒劣化診断の開始を行うためのもので、一定時間毎に繰り返し実行する。
Here, the diagnostic contents of the catalyst executed by the
ステップS1では前記した各種センサ類の信号に基づいて運転状態の読み込みを行い、ステップS2で排気流量が所定流量、つまり図5に示すような排気流量よりも大きいかどうか判定する。所定流量よりも小さいときは、ステップS4に移行して触媒劣化判定を禁止する。所定流量とは、その流量よりも小さいときは、触媒劣化前と劣化後とでのHCの転化率が変化しない領域であり、触媒下流の酸素イオン発生率がHCの転化率に依存して変化するので、転化率が同じならば触媒が劣化しても、判定結果に差異が無くなり、つまり正確な判定ができなくなるためである。 In step S1, the operation state is read based on the signals of the various sensors described above, and in step S2, it is determined whether the exhaust flow rate is larger than a predetermined flow rate, that is, the exhaust flow rate as shown in FIG. When the flow rate is smaller than the predetermined flow rate, the process proceeds to step S4 to prohibit the catalyst deterioration determination. When the flow rate is smaller than the flow rate, the HC conversion rate before and after catalyst deterioration does not change, and the oxygen ion generation rate downstream of the catalyst changes depending on the HC conversion rate. Therefore, if the conversion rate is the same, even if the catalyst is deteriorated, there is no difference in the determination results, that is, accurate determination cannot be performed.
所定流量よりも大きいときは、ステップS3に進んで触媒温度が所定温度よりも高いかどうかの判定を行う。所定温度よりも高いときには、ステップS5に移行して触媒42の劣化判断を禁止する。所定の温度とは、図6に示すように、その温度よりも高いと触媒42の劣化前と劣化後とでのHCの転化率が変化しなくなる領域であり、上記と同じく劣化判定の結果に差異が出ないためである。
When the flow rate is higher than the predetermined flow rate, the process proceeds to step S3 to determine whether or not the catalyst temperature is higher than the predetermined temperature. When the temperature is higher than the predetermined temperature, the process proceeds to step S5, and the deterioration determination of the
所定温度よりも低いときは、ステップS6に移行して触媒劣化診断を開始する。 When the temperature is lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S6 and the catalyst deterioration diagnosis is started.
図4は触媒劣化診断を行うためのもので、一定時間毎に繰り返し実行する。 FIG. 4 is for performing catalyst deterioration diagnosis, and is repeatedly executed at regular intervals.
ステップS11ではリーン運転条件にあるかどうかの判定を行い、リーン以外では触媒42の前後での空気過剰率の変化が少なく、正確な劣化判定が行えないので、診断を行わずにルーチンを終了する。
In step S11, it is determined whether or not the lean operation condition is satisfied. Since there is little change in the excess air ratio before and after the
ステップS11でリーン運転条件にある場合は、ステップS12に進んで触媒劣化判断のために、まず触媒42の上流側センサ43と下流側センサ44の出力に基づいて、それぞれの上、下流の空気過剰率λFとλRを算出し、さらに下流側の空気過剰率λRと、上流側の空気過剰率λFとの偏差であるΔλを、Δλ=λR−λFとして算出する。
If the lean operation condition is in step S11, the process proceeds to step S12, and in order to determine the catalyst deterioration, first, based on the outputs of the
次にステップS13では、触媒42の劣化判定の基準値Δλtを算出する。このΔλtは、前記上流の空気過剰率と下流の空気過剰率の偏差の間にある値である。なお、この判定基準値であるΔλtは、触媒12の仕様等を考慮して設定される。
Next, in step S13, a reference value Δλt for determining deterioration of the
ステップS14で上記したΔλと所定値Δλtとを比較し、Δλが所定値Δλtよりも大きいときは、ステップS15に進んで触媒12は劣化していないものとして、触媒劣化フラグは立てない。触媒42の機能が正常であれば、上記したとおり、触媒42での酸素イオン発生率が高まり、触媒上流よりも下流での酸素濃度が高くなる。したがって、下流側の空気過剰率λRと上流側の空気過剰率λFとの差であるΔλは、触媒42が新品時ほど大きく、劣化するに伴い小さくなる。したがってΔλが所定値Δλtよりも大きいときは触媒42は劣化がなく正常な状態である判定することができる。
In step S14, the above-mentioned Δλ is compared with a predetermined value Δλt. If Δλ is larger than the predetermined value Δλt, the process proceeds to step S15 and the catalyst 12 is not deteriorated, and the catalyst deterioration flag is not set. If the function of the
これに対して、ステップS15でΔλがΔλtよりも大きくないときは、ステップS16に進んで触媒42が劣化していると判定し、ステップS17で触媒劣化フラグを立て、これに基づいて触媒42の劣化を報知したり警告したりする。
On the other hand, when Δλ is not larger than Δλt in step S15, it proceeds to step S16, determines that the
このようにして、リーン空燃比での運転時に触媒劣化診断が行われ、触媒42の上流側と下流側の排気空燃比に基づいて空気過剰率が演算され、下流側と上流側の空気過剰率の差であるΔλが、劣化基準判定値であるΔλtよりも大きいときは、触媒による酸素イオンの発生率が高く、触媒42が正常に機能していると判定され、これに対して、ΔλがΔλtよりも小さいときは、触媒42による酸素イオンの発生率が小さく、触媒42は劣化しているものと判定される。
Thus, the catalyst deterioration diagnosis is performed during operation at the lean air-fuel ratio, the excess air ratio is calculated based on the upstream and downstream exhaust air-fuel ratios of the
なお、上記図4の触媒劣化診断において、リーン空燃比での運転中に劣化診断を開始しているが、この場合、劣化判定時の空燃比を、触媒42での酸素イオンの発生確率が高くなるように、リーン空燃比のなかで、排気中により多くの酸素イオン由来成分が含まれる、すなわち還元剤としてのHCを多く含む空燃比に設定してもよい。すなわち、ストイキ空燃比までは濃くなることはないが、やや濃いめのリーン空燃比とすることで、触媒42に流入する排気中に含まれるHCやCOが増えると、それだけ触媒反応時に発生するH2Oも増え、触媒金属に触れて電離する酸素イオンの発生量も多くなる。このため、同一空燃比でも、触媒42の上流と下流の空気過剰率の偏差が大きくなり、触媒42の劣化判定をより精度よく行える。
In the catalyst deterioration diagnosis of FIG. 4 described above, the deterioration diagnosis is started during the operation at the lean air-fuel ratio. Thus, the lean air-fuel ratio may be set to an air-fuel ratio that contains more oxygen ion-derived components in the exhaust gas, that is, contains more HC as a reducing agent. That is, it does not increase until the stoichiometric air-fuel ratio, but by setting a slightly leaner air-fuel ratio, if the amount of HC and CO contained in the exhaust gas flowing into the
なお、このようにディーゼル機関から排出される未燃物である還元剤は、リーン領域での空燃比を濃くすることにより増やせるが、例えば、CO(一酸化炭素)は機関燃焼室内での燃焼によって生成し、HC(炭化水素)については、排気通路内に燃料噴射することにより生成することもできる。 Note that the reducing agent, which is unburned from the diesel engine, can be increased by increasing the air-fuel ratio in the lean region. For example, CO (carbon monoxide) can be increased by combustion in the engine combustion chamber. The produced HC (hydrocarbon) can also be produced by injecting fuel into the exhaust passage.
以上のように本実施形態によれば、リーン運転時に触媒42で排気中のHC、COなどが酸化され、これにより生じた水分が触媒42に付着したときに発生する酸素イオンが触媒の劣化と共に減少するという現象に基づき、触媒の下流側と上流側の空気過剰率の偏差が劣化時ほど小さくなることに着目し、これら空気過剰率の偏差を所定の判定基準値と比較し、基準値よりも偏差が小さいときには触媒42が劣化しているものと判定するようにしたので、触媒42の劣化を正確に診断することができる。とくに触媒上流と下流の空燃比を検出し、これらの偏差を基準値と比較するので、判定時の空燃比に多少の変動があっても、あるいは触媒42の個体差があっても、触媒42の劣化診断が精度よく行える。
As described above, according to the present embodiment, HC, CO, etc. in the exhaust gas are oxidized by the
また、触媒42の劣化診断は、排気流量が所定値以下で、触媒42の劣化のいかんにかかわらずHCの転化率が変化しない領域では、触媒42での酸素イオン発生に影響を及ぼすHC量の変化が無いために、正確な劣化診断が行えないので、診断を禁止することでその誤診断を防ぎ、信頼性を向上させられる。
Further, in the deterioration diagnosis of the
同じように、触媒42でのHCの転化率が同じになってしまう排気温度が所定値以上の領域では、診断を禁止することにより、誤った診断を回避し、信頼性を高めている。
Similarly, in the region where the exhaust gas temperature at which the conversion rate of HC in the
また、触媒42の劣化判定にとっては、触媒42に付着するHC、CO、すなわち還元剤が多いほど酸素イオンの発生率が高まり、上流側と下流側での空気過剰率の偏差も大きくなるので、判定の精度が高められる。したがって、劣化判定時にはリーン空燃比の範囲内で排気中の還元剤の量ができるだけ多くなるように、例えば、機関での燃焼空燃比を制御したり、排気通路内に燃料噴射を行うことにより、精度のよい劣化判定を実施することが可能となる。
In addition, for the deterioration determination of the
なお、上記実施形態では、本発明をディーゼル機関に適用した例を示したが、これに限らず、リーンバーンするガソリン機関にも当然に適用できる。また、触媒としては、HCトラップ触媒だけでなく、NOxトラップ触媒、三元触媒、酸化触媒等についても同様に劣化診断の対象とすることができる。 In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a diesel engine has been described. However, the present invention is not limited to this, and can naturally be applied to a gasoline engine that performs lean burn. Further, as the catalyst, not only the HC trap catalyst but also a NOx trap catalyst, a three-way catalyst, an oxidation catalyst, and the like can be similarly subjected to degradation diagnosis.
本発明の触媒劣化診断装置は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどに適用できる。 The catalyst deterioration diagnosis device of the present invention can be applied to a diesel engine, a gasoline engine, or the like.
1 エンジン
2 排気通路
31 エンジンコントローラ
33 クランク角センサ
42 HCトラップ触媒
43 上流側センサ(上流側空燃比検出手段、酸素イオン由来成分検出手段)
44 下流側センサ(下流側空燃比検出手段、酸素イオン由来成分検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
44 Downstream sensor (downstream air-fuel ratio detection means, oxygen ion-derived component detection means)
Claims (8)
排気通路に設けられ排気中の有害成分を浄化する触媒と、
前記触媒上流側の空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記触媒下流側の空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
リーン運転時に前記上流側、下流側空燃比検出手段の出力から算出した各空気過剰率の偏差を所定の基準値と比較して触媒の劣化を判定する劣化判定手段と
を備えることを特徴とする触媒の劣化診断装置。 In internal combustion engines,
A catalyst provided in the exhaust passage for purifying harmful components in the exhaust;
Upstream air-fuel ratio detecting means for detecting the air-fuel ratio upstream of the catalyst;
Downstream air-fuel ratio detecting means for detecting the air-fuel ratio downstream of the catalyst;
And a deterioration determining means for determining the deterioration of the catalyst by comparing the deviation of each excess air ratio calculated from the outputs of the upstream and downstream air-fuel ratio detecting means during lean operation with a predetermined reference value. Catalyst deterioration diagnosis device.
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