JP2006291742A - 内燃機関の触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の触媒劣化検出装置において、触媒の劣化判定をより広い運転領域において行うことができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路４に直列に設けられた酸化能を有する複数の触媒８，９，１０および／または触媒群と、触媒８，９，１０および／または触媒群よりも上流および下流の排気通路７に夫々備えられ、排気の温度を検出する複数の排気温度検出手段１３，１４，１５，１６と、最上流に設けられた触媒８，９，１０または触媒群よりも上流から排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段１１と、還元剤添加手段１１により還元剤が添加されたときに排気温度検出手段１３，１４，１５，１６により検出される温度に基づいて触媒８，９，１０および／または触媒群の劣化を夫々判定する触媒劣化判定手段１２と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の触媒劣化検出装置に関する。

内燃機関の排気通路に上流側触媒、下流側触媒、および各触媒の下流側に酸素濃度センサを備え、該酸素濃度センサの出力値から上流側触媒の酸素吸蔵能を検出しつつ触媒の劣化判定を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−９７３３４号公報 特開２０００−９７０１４号公報 特開平８−２７０４３８号公報 特開２０００−１２０４３１号公報

上記公報によれば、触媒の酸化能力の判定を、酸素吸蔵能に基づいて行っているが、内燃機関がリーン空燃比で運転されている場合には、酸素濃度センサにより酸素吸蔵能を検出することが困難である。また、三元触媒以外の酸化触媒等においては、酸素吸蔵能を持たせないことが多いため酸素吸蔵能に基づいた劣化判定を行うことができない。さらに、ストイキにフィードバック制御していない運転状態においても、触媒の酸素吸蔵能を検出することが困難であり、触媒の劣化判定が困難となる。

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検出装置において、触媒の劣化判定をより広い運転領域において行うことができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の触媒劣化検出装置は、以下の手段を採用した。すなわち、

内燃機関の排気通路に直列に設けられた酸化能を有する複数の触媒および／または触媒群と、
前記触媒および／または触媒群よりも上流および下流の前記排気通路に夫々備えられ、排気の温度を検出する複数の排気温度検出手段と、
最上流に設けられた前記触媒または触媒群よりも上流から排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段と、
前記還元剤添加手段により還元剤が添加されたときに前記排気温度検出手段により検出される温度に基づいて触媒および／または触媒群の劣化を夫々判定する触媒劣化判定手段と、
を具備することを特徴とする。

還元剤添加手段により排気中へ還元剤が添加されると、還元剤は排気と共に複数の触媒および／または触媒群に流入する。そして、触媒および／または触媒群にて還元剤が酸化されると、該触媒および／または触媒群の温度が上昇する。このときの温度上昇度合いは、触媒および／または触媒群の劣化の度合いにより影響を受ける。すなわち、触媒および／または触媒群の劣化の度合いが小さいほど、触媒および／または触媒群の温度上昇度合いが大きくなる。

そして、還元剤添加時において、夫々の触媒および／または触媒群毎に、温度の上昇度合いを検出することにより、夫々の触媒および／または触媒群の劣化の度合いを判定することができる。この判定は、複数の触媒および／または触媒群で同時に行うこともできるし、触媒および／または触媒群毎に時間をずらして行うこともできる。

ここで、触媒群とは、２つ以上の触媒を１つの集合体として扱うものであり、この触媒群を設定することにより、複数の触媒の劣化状態を触媒群全体として判定することができる。

本発明においては、前記触媒劣化判定手段は、夫々の触媒および／または触媒群毎に設定された劣化判定値に基づいて劣化判定することができる。

ここで、複数の触媒および／または触媒群を備えている場合には、還元剤添加手段による還元剤の添加により触媒および／または触媒群の劣化判定をしようとする場合には、全ての触媒および／または触媒群に還元剤が行き渡るように還元剤を添加しなくてはならないので、大量の還元剤が添加される。そのため、上流側の触媒および／または触媒群には、大量に還元剤が流入し、温度が上昇し難い。このように、触媒および／または触媒群が設置されている場所によりその温度の上昇度合いが異なる。したがって、全ての触媒および／または触媒群において同一の基準で劣化判定を行うと、誤判定のおそれがある。その点、触媒および／または触媒群毎に異なる劣化判定値を設定しておけば、その場所に見合った劣化判定値を得ることができ、より正確な触媒劣化判定が可能となる。

ここで、還元剤添加時に検出される上昇温度が劣化判定値よりも大きければ触媒等が劣化しておらず、劣化判定値以下であれば触媒等が劣化していると判定できるように、劣化判定値を定めておいてもよい。

本発明においては、上流側の触媒および／または触媒群の劣化状態により下流側の触媒および／または触媒群の劣化判定値を変更することができる。

すなわち、上流側の触媒および／または触媒群の劣化状態により、該上流側で反応する還元剤量が変化し、排気の温度も変化するので、下流側での触媒および／または触媒群の劣化判定にも影響がある。上流側の触媒および／または触媒群の劣化状態により下流側の触媒および／または触媒群の劣化判定値を変化させることにより、上流側の劣化状態によらず、より正確な劣化判定を行うことができる。

本発明においては、前記触媒劣化判定手段は、内燃機関の暖機運転時に触媒および／または触媒群の劣化判定を行うことができる。

内燃機関の暖機運転時には触媒および／または触媒群の温度はまだ上昇していない。そして、このときに劣化判定を行うと、還元剤の供給により触媒および／または触媒群の温度が上昇する。このときの温度上昇は、暖機運転後よりもおおきく、酸化能力の性能差がより顕著に現れる。したがって、内燃機関の暖機運転時に触媒および／または触媒群の劣化判定を行うと、より精度の高い触媒劣化判定を行うことができる。

本発明においては、還元剤添加手段により還元剤が添加されていないときの触媒および／または触媒群に流入する排気の温度は、還元剤添加時に触媒および／または触媒群に流入する排気の温度、排気中の還元剤量、排気の流量、および時系列変化量から推定され、この推定された温度と、還元剤添加時の排気温度検出手段による検出温度と、に基づいて触媒劣化判定が行われることができる。

すなわち、還元剤が添加されていないときに触媒および／または触媒群に流入する排気の温度は、還元剤添加時の触媒および／または触媒群に流入する排気の温度、排気中の還元剤量、排気の流量、および時系列変化量によって示すことができる。そして、還元剤を添加していないときの触媒および／または触媒群の温度を推定して求めることにより、実際に還元剤の添加量を変動させなくても触媒の劣化判定が可能となるので、排気中の有害物質の量を低減させることができる。

本発明においては、前記還元剤添加手段は、夫々の触媒および／または触媒群の上流にも備えられていることができる。

夫々の触媒および／または触媒群に直接還元剤を供給することにより、夫々の触媒および／または触媒群に適正量の還元剤を供給することが可能となる。また、同時に複数の触媒および／または触媒群の劣化判定を行うことができるので、劣化判定に要する時間を短縮し、還元剤の供給量を減少させることができる。

本発明に係る内燃機関の触媒劣化検出装置では、触媒の劣化判定をより広い運転領域において行うことができる。

以下、本発明に係る内燃機関の触媒劣化検出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。

図１は、本実施例に係る内燃機関の触媒劣化検出装置を適用する内燃機関１とその吸排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４つの気筒２を有する４サイクルディーゼル機関である。各気筒２には、該気筒２内へ燃料を供給する燃料噴射弁３が取り付けられている。

また、内燃機関１には、吸気通路４が接続されている。前記吸気通路４の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。

また、吸気通路４には、該吸気通路４内を流通する吸気の量に応じた信号を出力し、該内燃機関１の吸入空気量を測定可能とするエアフローメータ６が備えられている。

一方、内燃機関１には、排気通路７が接続されている。排気通路７の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。

タービンハウジング５ｂよりも下流の排気通路７の途中には、上流側から前処理触媒８、パティキュレートフィルタ９、酸化触媒１０の順に備えられている。

前処理触媒８は、還元剤の蒸発を促進するために設けられた触媒であり、酸化能を有する例えば酸化触媒、三元触媒を用いることができる。パティキュレートフィルタ９（以下、単にフィルタ９という。）には吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒という。）が担持されている。そして、フィルタ９は、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕獲するとともに、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを貯蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは貯蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。酸化触媒１０は、酸化能を有していればよく、代わりに三元触媒を用い
ても良い。

そして、本実施例では、前処理触媒８よりも上流の排気通路７に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤添加弁１１を備えている。ここで、還元剤添加弁１１は、後述するＥＣＵ１２からの信号により開弁して還元剤を噴射する。還元剤添加弁１１から排気通路７内へ噴射された還元剤は、排気通路７の上流から流れてきた排気の空燃比をリッチにする。これにより、ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxの還元を行ったり、フィルタに捕集されたＰＭの除去を行ったりすることができる。そして、本実施例では、前処理触媒８、ＮＯx触媒、および酸化触媒１０の劣化を判定するために還元剤添加弁１１から還元剤が添加される。

また、タービンハウジング５ｂと前処理触媒８との間の排気通路７には、排気の温度を検出する第１排気温度センサ１３が取り付けられている。前処理触媒８とフィルタ９との間の排気通路７には、排気の温度を検出する第２排気温度センサ１４が取り付けられている。フィルタ９と酸化触媒１０との間の排気通路７には、排気の温度を検出する第３排気温度センサ１５が取り付けられている。酸化触媒１０よりも下流の排気通路７には、排気の温度を検出する第４排気温度センサ１６が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１２が併設されている。このＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１２には、前記したセンサの他、アクセル開度すなわち機関負荷に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１７、内燃機関１の回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これらのセンサの出力信号が入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１２には、還元剤添加弁１１が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１２は該還元剤添加弁１１を制御する。

ところで、前処理触媒８、ＮＯx触媒、および酸化触媒１０は、経年変化や熱により劣化し、その機能が低下することがある。そして、触媒の機能が低下すると、還元剤添加時の前処理触媒８、ＮＯx触媒、および酸化触媒１０の温度変化に顕著に現れる。すなわち、触媒の能力が低下すると、該触媒に流入した還元剤の酸化が十分に行われなくなるため、触媒および排気の温度上昇が小さくなる。そのため、各触媒の前後に取り付けた排気温度センサに基づいて、該触媒を通過する際の排気の温度上昇を検出し、この値に基づいて夫々の触媒の劣化の判定をすることができる。例えば、内燃機関の運転状態に基づいて、夫々の触媒で劣化判定値を設定し、触媒の温度上昇値がこの劣化判定値以下であった場合には、該触媒が劣化していると判定することができる。

次に、本実施例による触媒劣化判定フローについて説明する。本実施例による触媒判定フローでは、ＮＯx触媒および酸化触媒１０が劣化しているか否か判定している。

図２および図３は、本実施例による触媒劣化判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、触媒劣化判定を行うことができるか否かを、所定条件が成立しているか否かにより判定される。所定条件は、例えば機関回転数が所定の範囲内か、機関負荷が所定の範囲内か、内燃機関が定常状態であるか等の内燃機関１の運転状態について定められている。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０２では、ベース排気温度が測定される。このベース排気温度とは、還元剤添加前に各触媒に流入する排気の温度であり、第２排気温度センサ１４および第３排気温度センサ１５の出力信号により得られる排気の温度である。

ステップＳ１０３では、還元剤添加弁１１から還元剤を添加して排気の空燃比をリッチ側へ変更する。

ステップＳ１０４では、各触媒から流出する排気の温度を測定する。すなわち、第３排気温度センサ１５および第４排気温度センサ１６の出力信号により排気温度を得る。

ステップＳ１０５では、ＮＯx触媒の温度上昇値ΔＴＦが所定値Ｆ１よりも大きいか否か判定される。この所定値Ｆ１は、ＮＯx触媒の劣化判定値であり、内燃機関１の運転状態とＮＯx触媒の劣化との関係を予め実験等により求めマップ化されている。また、ＮＯx触媒の温度上昇値は、ステップＳ１０４で測定されたＮＯx触媒よりも下流の排気温度から、ステップＳ１０２で測定されたベース排気温度を減じた値である。

ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０６では、酸化触媒１０の温度上昇値ΔＴＲが所定値Ｒ２よりも大きいか否か判定される。この所定値Ｒ２は、ＮＯx触媒が劣化していないときの酸化触媒１０の劣化判定値であり、内燃機関１の運転状態と酸化触媒１０の劣化との関係を予め実験等により求めマップ化されている。また、酸化触媒１０の温度上昇値は、ステップＳ１０４で測定された酸化触媒１０よりも下流の排気温度から、ステップＳ１０２で測定されたベース排気温度を減じた値である。このように、本実施例においては、触媒毎に劣化判定値が異なる。これは、還元剤添加時に上流側の触媒には、大量の還元剤が流入することとなるため、温度上昇がし難いからである。

ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０７では、ＮＯx触媒および酸化触媒１０の酸化能は正常であると判定される。その後、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１０８では、ＮＯx触媒の酸化能は正常であるが、酸化触媒１０の酸化能は異常であると判定される。その後、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１０９では、ＮＯx触媒の酸化能が異常であると判定される。

ステップＳ１１０では、酸化触媒１０の温度上昇値ΔＴＲが所定値Ｒ１よりも大きいか否か判定される。この所定値Ｒ１は、ＮＯx触媒が劣化しているときの酸化触媒１０の劣化判定値であり、内燃機関１の運転状態と酸化触媒１０の劣化との関係を予め実験等により求めマップ化されている。また、酸化触媒１０の温度上昇値は、ステップＳ１０４で測定された酸化触媒１０よりも下流の排気温度から、ステップＳ１０２で測定されたベース排気温度を減じた値である。このように、ＮＯx触媒が劣化しているか否かに基づいて、酸化触媒１０の劣化判定値を変えている。これにより、ＮＯx触媒の劣化の有無によらず
酸化触媒１０の劣化判定を精度よく行うことができる。

ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１１２へ進む。

ステップＳ１１１では、酸化触媒１０の酸化能は正常であると判定される。その後、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１１２では、酸化触媒１０の酸化能が異常であると判定される。その後、本ルーチンを一旦終了する。

このようにして、ＮＯx触媒および酸化触媒１０の劣化判定を同時に行うことができる。

なお、本実施例においては、ＮＯx触媒および酸化触媒１０の劣化判定を同時に行っているが、さらに前処理触媒８の劣化判定も同時に行うことができる。

また、前処理触媒８とＮＯx触媒とを１つの触媒群として扱い、この触媒群と酸化触媒１０との劣化判定を同時に行うようにしてもよい。触媒群の劣化判定値は、予め実験等により求めておきマップ化しておく。この場合、触媒群のベース排気温度は、触媒群に流入する排気の温度であり、第１排気温度センサ１３の出力信号により得ることができる。また、還元剤の添加後は、第３排気温度センサ１５の出力信号により得られる排気の温度から、前記ベース排気温度を減じて、触媒群の排気温度の上昇値を得ることができる。このようにして、触媒群の劣化判定を行うことにより、前処理触媒８とＮＯx触媒とを合わせた触媒群全体としての酸化能の劣化判定を行うことができる。

同様に、ＮＯx触媒と酸化触媒１０とを１つの触媒群として扱ってもよく、前処理触媒８とＮＯx触媒と酸化触媒１０とを１つの触媒群として扱ってもよい。

なお、本実施例においては、触媒の劣化判定を内燃機関１の暖機運転時に行うようにしてもよい。内燃機関１の暖機運転時には、触媒の温度も低いため、触媒が劣化していない場合には還元剤添加時の温度上昇が暖機完了後よりも大きくなる。そのため、より精度の高い劣化判定を行うことができる。

また、内燃機関１のベース排気温度を、還元剤添加時の排気の温度から推定するようにしてもよい。このように、ベース排気温度を推定により求めれば、還元剤添加時の排気温度を検出するだけで触媒の劣化判定を行うことができるので、還元剤添加の有無による排気中の未燃燃料の量の変動を抑制することができ、排気エミッションの悪化を抑制することができる。ここで、ベース排気温度の推定は、還元剤添加時に触媒に流入する排気の温度、内燃機関への供給燃料量、還元剤添加量、排気の量、時系列変化量等に基づいてなされる。これらの関係は予め実験等により求めてマップ化しておく。時系列変化量は、時間の経過とともに変化する値であり適宜設定する。

以上説明したように、本実施例によれば、還元剤の添加により触媒の温度を上昇させるので、還元剤の添加を行わないときよりも大きな温度変化を得ることができ、触媒劣化判定の精度を向上させることができる。また、複数の触媒および／または触媒群について同時に劣化判定を行うことができるので、劣化判定に要する時間を短縮することができる。

次に、内燃機関の触媒劣化検出装置の他の実施態様について説明する。

図４は、本実施例に係る内燃機関の触媒劣化検出装置を適用する内燃機関１とその吸排気系の概略構成を示す図である。

実施例１と異なり、前処理触媒８とフィルタ９との間に第２還元剤添加弁１９を備え、フィルタ９と酸化触媒１０との間に第３還元剤添加弁２０を備えている。第２還元剤添加弁１９および第３還元剤添加弁２０は、還元剤添加弁１１と同様、排気通路７に還元剤たる燃料（軽油）を添加する。

そして、本実施例においては、触媒の劣化判定を行うときに、還元剤添加弁１１、第２還元剤添加弁１９、および第３還元剤添加弁２０から夫々還元剤を添加する。

このように、夫々の触媒に対して直接還元剤を添加することにより、下流側の触媒へ適正量の還元剤を供給することが可能となるので、各触媒の温度上昇を大きくして劣化判定の精度を向上させることができる。

劣化判定フローについては、実施例１と同じであるため説明を省略する。

なお、還元剤の添加が必要なのは、劣化判定の対象となる触媒若しくは触媒群であるため、必ずしも各触媒の上流に還元剤添加弁を設ける必要は無く、劣化判定の対象となる触媒若しくは触媒群の上流にのみ還元剤添加弁を設けていればよい。

また、触媒の劣化判定は、全ての触媒において必ずしも同時に行う必要は無い。

さらに、上流側の触媒へ還元剤を添加することにより、下流側の触媒の温度を劣化判定時の適正範囲内となるように、還元剤の添加量を調整するようにしてもよい。このようにして、下流側の触媒劣化判定の精度を向上することができる。

実施例１に係る内燃機関の触媒劣化検出装置を適用する内燃機関１とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例１による触媒劣化判定のフローを示したフローチャートである。 実施例１による触媒劣化判定のフローを示したフローチャートである。 実施例２に係る内燃機関の触媒劣化検出装置を適用する内燃機関１とその吸排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 燃料噴射弁
４ 吸気通路
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
６ エアフローメータ
７ 排気通路
８ 前処理触媒
９ パティキュレートフィルタ
１０ 酸化触媒
１１ 還元剤添加弁
１２ ＥＣＵ
１３ 第１排気温度センサ
１４ 第２排気温度センサ
１５ 第３排気温度センサ
１６ 第４排気温度センサ
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ
１９ 第２還元剤添加弁
２０ 第３還元剤添加弁

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に直列に設けられた酸化能を有する複数の触媒および／または触媒群と、
   前記触媒および／または触媒群よりも上流および下流の前記排気通路に夫々備えられ、排気の温度を検出する複数の排気温度検出手段と、
   最上流に設けられた前記触媒または触媒群よりも上流から排気中へ還元剤を添加する還元剤添加手段と、
   前記還元剤添加手段により還元剤が添加されたときに前記排気温度検出手段により検出される温度に基づいて触媒および／または触媒群の劣化を夫々判定する触媒劣化判定手段と、
   を具備することを特徴とする内燃機関の触媒劣化検出装置。
2. 前記触媒劣化判定手段は、夫々の触媒および／または触媒群毎に設定された劣化判定値に基づいて劣化判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
3. 上流側の触媒および／または触媒群の劣化状態により下流側の触媒および／または触媒群の劣化判定値を変更する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検出装置。
4. 前記触媒劣化判定手段は、内燃機関の暖機運転時に触媒および／または触媒群の劣化判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
5. 還元剤添加手段により還元剤が添加されていないときの触媒および／または触媒群に流入する排気の温度は、還元剤添加時に触媒および／または触媒群に流入する排気の温度、排気中の還元剤量、排気の流量、および時系列変化量から推定され、この推定された温度と、還元剤添加時の排気温度検出手段による検出温度と、に基づいて触媒劣化判定が行われることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。
6. 前記還元剤添加手段は、夫々の触媒および／または触媒群の上流にも備えられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化検出装置。

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