JP2006328988A - ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンにおいて、酸素蓄積能力に基づく触媒劣化判定が可能な装置を提供する。
【解決手段】本発明は、排気管内に設けられ排気を浄化する触媒と、少なくとも触媒の下流に設けられた、排気の空燃比を検出する空燃比センサと、イグニッション・オフ後に空燃比を相対的にリッチ化するリッチ化手段と、リッチ化の後に触媒に酸素を導入する酸素導入手段と、酸素を導入した後の空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、を有する、ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの触媒劣化検知装置に関するものであり、特に酸素蓄積能力に基づいたディーゼルエンジンの触媒劣化検知装置に関するものである。

酸化触媒の劣化を検出する従来技術として、例えば特許文献１には、触媒の酸素蓄積能力（ＯＳＣ）に基づく触媒劣化検出装置が開示されている。特許文献１の装置は、触媒の下流側に設置された酸素濃度センサの計測値に基づいてＯＳＣを推定し、推定されたＯＳＣから触媒の劣化度合いを判定している。酸化触媒の浄化性能とＯＳＣとの間には強い相関関係があるので、ＯＳＣに基づく触媒劣化検出手法は、精度良く触媒劣化を検出することが可能である。

しかし、従来技術では、触媒のＯＳＣを推定するために、運転中に空燃比制御を行って、空燃比を理論空燃比に対してリッチからリーンに変化させる必要がある。ディーゼルエンジンは、一般に理論空燃比よりかなりリーン側で運転を行うため、運転中にリッチ側に持っていこうとすると、急激なトルク変動による運転性の悪化、およびエミッション特性の悪化（ＰＭ、ＮＯＸの増大など）を引き起こしてしまう。従って、従来のＯＳＣ推定手法をディーゼルエンジンに適用することは困難である。

一方、触媒劣化の判定精度を上げるために、エンジンを一定時間停止した後に触媒劣化検出処理を行う従来技術が、例えば特許文献２に開示されている。エンジン停止後に検知を行うことにより、運転中の外乱などを排して正確な劣化検出が可能となる。

しかし、特許文献２は温度センサに基づいた触媒劣化検出を言及するのみであり、ＯＳＣに基づいた手法については開示されていない。また、ディーゼルエンジンにおいてエンジン停止後にＯＳＣに基づいて劣化判別をしようとしても、リーン状態から大気状態までの変化しか検出することしかできないので、劣化度合いが正確に検知できないおそれがある。
特開平10-61427 特開平7-180536

このように、酸素蓄積能力（ＯＳＣ）に基づく触媒劣化検出手法は信頼性が高いが、空燃比のリッチ化処理に伴う運転性やエミッション特性への影響により、ディーゼルエンジンの運転中の適用は困難である。また、エンジン停止後に触媒の劣化検出を行う手法は、運転性やエミッション特性への影響を回避することができる点で有効であるが、空燃比制御が必要なＯＳＣ推定への適用は困難である。

本発明の目的は、ディーゼルエンジンにおいて、酸素蓄積能力に基づく触媒劣化判定が可能な装置を提供することである。

本発明は、排気管内に設けられ排気を浄化する触媒と、少なくとも触媒の下流に設けられた、排気の空燃比を検出する空燃比センサと、イグニッション・オフ後に空燃比を相対的にリッチ化するリッチ化手段と、リッチ化の後に触媒に空気を導入する空気導入手段と、空気を導入した時点からの空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、
を有する、ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置を提供する。

この発明により、触媒劣化検知処理がエンジン駆動力の生じないイグニッション・オフの状態で実行されるので、トルク変動やエミッション悪化を招くことなく、正確な劣化検知を行うことができる。また、この発明により、空燃比が一度リッチ化してから再びリーン化されるので、従来のＯＳＣ推定手法をディーゼルエンジンに適用することが可能となり、高精度な触媒劣化判別が実現できる。

本発明の一実施形態では、劣化検出手段は、空燃比センサの出力に基づいて触媒の酸素蓄積能力を推定し、該酸素蓄積能力に基づいて触媒の劣化を検出する。

本発明の一実施形態では、リッチ化手段は、ポスト噴射、インテークシャッター閉弁、ＥＧＲ導入の少なくとも１つである。

また、本発明の一実施形態では、空気導入手段は、電動過給機、２次エアーポンプの少なくとも１つである。

さらに、本発明は、排気管内に設けられ排気を浄化する触媒と、触媒の上流に設けられた、排気の空燃比を検出する第１の空燃比センサと、触媒の下流に設けられた、排気の空燃比を検出する第２の空燃比センサと、イグニッション・オフ後に空燃比のリッチ化を行うリッチ化手段と、リッチ化の後に触媒に空気を導入する空気導入手段と、空気を導入した時点からの第1の空燃比センサおよび第２の空燃比センサの出力に基づいて触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、を有する、ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置を提供する。

次に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１およびその制御装置の構成を示す概略図である。

ディーゼルエンジン１は、各気筒の燃焼室内に高圧燃料を噴射して自然発火させる直噴式エンジンである。ディーゼルエンジン１は、各気筒に取り付けられた、燃焼を噴射するインジェクタ（図示せず）の燃料噴射量および噴射時期を調整することにより、出力を制御する。インジェクタは、運転状態に応じた電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）からの制御指令に基づき、最適なタイミングで燃料を噴射する。

ディーゼルエンジン１の排気管２内には、酸化触媒３が設置されている。酸化触媒（以下「触媒」という）３は、排気ガスに含まれるパティキュレート（粒子物質。以下「ＰＭ」という）のうち炭化水素（ＨＣ）を主とした未燃焼物質（ＳＯＦ）を、水と二酸化炭素に変換し、排気ガス中のＰＭを低減させる。

触媒３の上流および下流には、それぞれリニア空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ７，８が設置されている。ＬＡＦセンサ７，８は、それぞれ触媒３の上流および下流における排気ガスの空燃比に略比例する電気信号を出力する。ＬＡＦセンサの出力は、ＥＣＵ１０に送られる。ＥＣＵ１０は、ＬＡＦセンサ７，８の検出信号に基づいて、触媒３の酸化蓄積能力（ＯＳＣ）を推定して触媒劣化検知に利用する。

また、排気管２内には、2次エアーポンプ１２が設置されている。２次エアーポンプ１２は、排気管２に空気を導入して、排気ガスに空気を混合する。２次エアーポンプ１２は、ＥＣＵ１０からの制御指令に基づき、導入する空気量を制御する。

一方、ディーゼルエンジン１の吸気管１４には、インテークシャッタ１６が設置されている。インテークシャッタ１６は、ガソリンエンジンにおけるスロットル弁と同様の機構である。しかし、ディーゼルエンジンの場合、吸気量は通常一定に保たれ、燃料噴射量を調節してエンジン出力を制御する。従って、通常運転時にはインテークシャッタ１６は全開の状態である。また、インテークシャッタ１６は、排気温度を上昇させたい場合などの特定用途では、閉じ側に制御されて吸気を絞り込む。例えば、触媒３の下流に設置されているディーゼル・パティキュレート・フィルタ（図示せず）において捕集したＰＭを燃焼させる際に、排気温度を上昇させてＰＭの燃焼効率を上げるために、インテークシャッタ１６は閉じ側に制御されて吸気を絞り込む。

また、吸気管１４には、ターボチャージャ１８が設置されている。ターボチャージャ１８は、モータ１８ａがコンプレッサ１８ｂを回転させることにより吸気を圧縮する電動ターボチャージャである。ターボチャージャ１８は、ＥＣＵ１０からの制御指令に基づき、吸気の圧縮度合いを制御する。ターボチャージャ１８によって、同一の排気量でもより多くの空気を取り込めるので、燃焼効率が向上し、出力も増加する。

吸気管１４および排気管３の間には、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）２０が設置されている。排気ガスを再び吸気管１４に導入して吸入空気と混合させ、燃焼温度を低下させることで、窒素酸化物ＮＯｘを低減することができる。再循環させる排気ガスの量は、ＥＣＵ１０によって最適な流量が決定され、ＥＧＲバルブ２１を調節することにより制御される。ＥＧＲバルブ２１は、ＥＣＵ１０から送られる制御指令によってバルブ開度を調整し、再循環ガスの量を制御する。本実施形態では、通常運転時には、ＥＧＲバルブ２１を調整することによって、エンジンへの吸入空気量が制御される。

本実施形態による触媒の劣化を判定するための一連の処理は、上述のハードウェアを利用して、ＥＣＵ１０内に組み込まれたソフトウェアプログラムによって実行される。

ＥＣＵ１０は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１０ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１０ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１０ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１０ｄを備えるコンピュータである。メモリ１０ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納される。

本発明に従う触媒劣化検出を実施するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１０ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ２ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

続いて、図２を参照して、本実施形態による触媒劣化検出処理について説明する。この処理は、ＥＣＵ１０に記憶されたソフトウェアプログラムによって実行される。

本実施形態では、ディーゼルエンジンにおいて触媒の酸素蓄積能力（ＯＳＣ）を利用した触媒劣化検出を行うために、イグニッションオフ後、エンジンが停止するまでの間に一連の処理が実行される。この区間内において、はじめにリーン状態の排気を一度相対的にリッチ化し、その後空気を導入して再びリーン化する。これにより、ディーゼルエンジンでも酸素蓄積能力を推定することができる。

ステップＳ１０１において、触媒劣化判定を実行するための診断条件が整っているかどうかを確認する。具体的には、エンジン１および制御装置内に設置された各種センサ（図示せず）の検出値に基づき、冷却水温度、排気温度、吸気温度、エンジン停止時間、吸入空気量などが所定範囲に収まっているかを確認し、併せてＬＡＦセンサが正常に作動しているかどうかを確認する。条件を満たしているならば、触媒劣化判定処理が開始され、ステップＳ１０３に進む。前提条件を満たしていないならば、処理を終了する。

ステップＳ１０３において、イグニッション・オフ状態かどうかを確認する。ここで、イグニッション・オフとは、イグニッションキーがオフにされ、エンジンを停止するために電装系への通電が遮断された状態である。このとき、インジェクタによるメイン噴射は停止され、気筒内の燃焼は発生せず、気筒内のクランクが惰性で回転している状態となる。本実施形態では、イグニッション・オフの信号を受け取ることをトリガとして、触媒劣化判別処理が開始される。イグニッション・オフならば、触媒劣化判定処理は続けられ、ステップＳ１０５に進む。イグニッションキーがオンならば、処理を終了する。

ステップＳ１０５において、排気ガスのリッチ化を実行する。ここで、リッチ化とは、排気ガスの空燃比を相対的にリッチにする処理のことであり、必ずしも理論空燃比よりリッチにする必要はない。触媒劣化判定処理開始時よりも排気ガス中の燃料の割合が高くなれば良い。具体的には、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、またはＥＧＲ導入を実行することによって排気の空燃比を相対的にリッチにする。

ここで、ポスト噴射とは、エンジン仕事を発生させるための燃焼に使われる上死点近傍で噴射されるメイン噴射とは別に、クランク角度の遅い噴射タイミング（排気行程中）で燃料を噴射することを言う。ポスト噴射は、排気ガスに燃料をさらに混合するので、排気ガスの空燃比を相対的にリッチにすることが可能である。

また、インテークシャッタ１６を閉じ側に制御すると、吸気管１４からの新たな空気の流入が抑制され、排気管内の未燃燃料の割合が高まるので、排気ガスの空燃比を相対的にリッチにすることが可能である。

また、ＥＧＲ２０によって排気ガスを再利用することにより、排気中の未燃燃料が吸入空気に含まれるので、排気ガスの空燃比を相対的にリッチにすることが可能となる。

リッチ化制御は、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、およびＥＧＲ導入のうち１つを選択しても良く、インテークシャッタ閉弁またはＥＧＲ導入を、ポスト噴射と組み合わせて実施しても良い。リッチ化制御のタイミングや制御量は、実施条件に応じて実験的に求められた適正値を用いる。

ステップＳ１０７において、触媒３へ空気を導入し、排気ガスを再びリーン化する。具体的には、電動ターボチャージャ１８または2次エアーポンプ１２を駆動する。電動ターボチャージャ１８は、吸気量を増加するので、排気ガスの空燃比をリーンにすることが可能である。また、2次エアーポンプ１２は、排気管３内に空気を導入することにより、排気ガスの空燃比をリーンにすることが可能である。再リーン化制御のタイミングおよび制御量は、実施条件に応じて実験的に求めた適正値を用いる。

ステップＳ１０９において、触媒の酸素蓄積能力（ＯＳＣ）を推定する。ＯＳＣの推定は、例えば特許文献１に示されるような既知の手法を用いる。本実施形態では、触媒３の上流および下流に設置されたＬＡＦセンサ７，８の検出値に基づいて、ＯＳＣ推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸを算出する。本実施形態で用いるＯＳＣ推定方法を、図３を参照して以下に説明する。

図３は、触媒劣化検知処理を実行中のＬＡＦセンサ７，８の出力を示すグラフである。グラフの縦軸はＬＡＦセンサ出力を表し、グラフの横軸は時間を表す。図中、上流側のＬＡＦセンサ７の出力が符号３１で示され、下流側のＬＡＦセンサ８の出力が符号３３で示される。ＬＡＦセンサの性質上、空燃比がリーンになるにつれてセンサ出力は増加し、空燃比がリッチになるにつれてセンサ出力は減少する。

時刻ａにおいて、イグニッションオフとなり触媒劣化検知処理が開始され、時刻ａから時刻ｂの区間において、ステップＳ１０５のリッチ化制御が実行される。リッチ化に伴い、ＬＡＦセンサ７，８の出力が減少する。

続いて、時刻ｂにおいて、ステップＳ１０７の再リーン化制御が開始される。まず触媒の上流側のリーン化が進み、ＬＡＦセンサ７の出力３１が増加し始める。触媒の下流側では、触媒３の酸化処理の影響で遅れてリーン化が始まり、ＬＡＦセンサ８の出力３３も遅れて増加し始める。このときの上流側ＬＡＦセンサ７および下流側ＬＡＦセンサ８の出力挙動の時間差を算出して、判定時間ＴＣＨＫとする。判定時間の算出は、例えば、上流側ＬＡＦセンサ出力３１が所定のしきい値Ａを超えた時刻ｃから、下流側ＬＡＦセンサ出力３３がしきい値Ａを超える時刻ｄまでの時間差を判定時間ＴＣＨＫとする。

また、判定時間ＴＣＨＫの算出と並行して、排気管３内に設けられたエアフローメータ２３で排気流量を計測する。時刻ｃから時刻ｄの間、１燃焼サイクル中の所定タイミングで排気流量をエアフローメータ２３で計測し、メモリ１０ｃに記憶する。この計測値を合計して、判定時間ＴＣＨＫ中の流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭを算出する。

判定時間ＴＣＨＫおよび流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭに基づき、触媒３の酸素蓄積能力（ＯＳＣ）推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸは次式で算出される。

ＯＳＣＩＮＤＥＸ＝ｋ・ＴＣＨＫ・ＧＡＩＲＳＵＭ （１）
ここで、ｋは任意の定数であり、あらかじめ適正値を実験的に求めておく。

（１）式によるＯＳＣ推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸは、エンジンの運転状態の影響を受けないという利点がある。例えば、同じ酸素蓄積能力でも、エンジンが高回転で流量が多い場合には判定時間が短くなる。逆にエンジンが低回転で流量が少なければ判定時間は長くなる。流量と判定時間との間にはトレードオフの関係があり、両方が酸素蓄積能力と相関のあるパラメータである。従って、両者の積を取ることによって、安定した推定が可能となる。

再び図２に戻り、触媒劣化検知処理について説明する。

ステップＳ１１１において、触媒浄化率を算出する。触媒浄化率は、触媒の浄化能力をパーセンテージで表現したものである。新しい触媒の触媒浄化率は１００％であり、触媒の劣化に伴ってその値は減少する。酸素蓄積能力と触媒浄化率との間には強い相関関係があるので、酸素蓄積能力の推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸから触媒浄化率を求めることができる。触媒浄化率は、ステップＳ１０９で算出した推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸに基づき、あらかじめ実験的に求めた変換マップから検索される。

ステップＳ１１３において、触媒浄化率が所定のしきい値以下かどうかをチェックする。触媒浄化率がしきい値以下の場合、触媒の浄化能力が所望の性能を下回っていることを示しており、ステップＳ１１５において触媒劣化と判定する。触媒劣化率がしきい値より大きい場合、触媒の浄化能力は所望の性能を満たしており、ステップＳ１１７において触媒正常と判定する。

本発明の別の実施形態では、上流側ＬＡＦセンサ７を使用せずに、下流側ＬＡＦセンサ８のみを用いて触媒劣化検出処理を実行することも可能である。この場合、上述の実施形態との相違点は、図２における触媒劣化検出処理のステップＳ１０９（触媒のＯＳＣ推定）のみである。以下に相違点のみを説明する。

図４は、触媒劣化検知処理を実行中の触媒下流側のＬＡＦセンサ８の出力を示すグラフである。グラフ中の軸の意味、符号などは図３と同様である。本実施形態では、図４に示すように、再リーン化制御が開始する時刻ｂから、下流センサ出力３３が所定のしきい値Ａを超える時刻ｄまでの時間差を判定時間ＴＣＨＫ’とする。

また、時刻ｂから時刻ｄの間、１燃焼サイクル中の所定タイミングで排気流量をエアフローメータ２３で計測し、メモリ１０ｃに記憶する。この計測値を合計して、判定時間ＴＣＨＫ’中の流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭ’を算出する。

判定時間ＴＣＨＫ’および流量積算値ＧＡＩＲＳＵＭ’に基づき、触媒のＯＳＣ推定値ＯＳＣＩＮＤＥＸは次式で算出される。

ＯＳＣＩＮＤＥＸ＝ｋ’・ＴＣＨＫ’・ＧＡＩＲＳＵＭ’ （２）
ここで、ｋ’は任意の定数であり、あらかじめ適正値を実験的に求めておく。但し、ｋ’≠ｋである。

また、本発明の別の実施形態では、ＬＡＦセンサ７，８の代替手段として、ＬＡＦセンサよりも安価なＯ２センサを使用することも可能である。ただし、Ｏ２センサは、理論空燃比を境としてオン・オフ的に出力を変化させる特徴があるので、リッチ化およびリーン化の際には、理論空燃比を通過させる必要がある。つまり、本発明による触媒劣化検出装置に適用するためには、リッチ化制御において理論空燃比よりリッチにする必要があり、再リーン化において理論空燃比よりリーンにする必要がある。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明した。しかし、この発明はこのような実施例に限定されるものでない。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態による触媒劣化判別処理のフローチャートである。 本発明の一実施形態による触媒劣化検知処理中のＬＡＦセンサ出力を示す図である。 本発明の別の実施形態における触媒劣化検知処理中のＬＡＦセンサ出力を示す図である。

符号の説明

５ 酸化触媒
７，８ 空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）
１０ ＥＣＵ
１２ ２次エアーポンプ
１６ インテークシャッタ
１８ 電動式ターボチャージャ
２０ ＥＧＲ

Claims (8)

1. ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置であって、
   排気管内に設けられ排気を浄化する触媒と、
   少なくとも前記触媒の下流に設けられた、前記排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   イグニッション・オフ後に空燃比を相対的にリッチ化するリッチ化手段と、
   前記リッチ化の後に前記触媒に空気を導入する空気導入手段と、
   空気を導入した時点からの前記空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、
   を有する触媒劣化検出装置。
2. 前記劣化検出手段は、前記空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の酸素蓄積能力を推定し、該酸素蓄積能力に基づいて前記触媒の劣化を検出する、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
3. 前記リッチ化手段は、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、ＥＧＲ導入の少なくとも１つである、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
4. 前記空気導入手段は、電動過給機、２次エアーポンプの少なくとも１つである、請求項１に記載の触媒劣化検出装置。
5. ディーゼルエンジンの触媒劣化検出装置であって、
   排気管内に設けられ排気を浄化する触媒と、
   前記触媒の上流に設けられた、前記排気の空燃比を検出する第１の空燃比センサと、
   前記触媒の下流に設けられた、前記排気の空燃比を検出する第２の空燃比センサと、
   イグニッション・オフ後に空燃比を相対的にリッチ化するリッチ化手段と、
   前記リッチ化の後に前記触媒に空気を導入する空気導入手段と、
   空気を導入した時点からの前記第1の空燃比センサおよび前記第２の空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の劣化を検出する劣化検出手段と、
   を有する装置。
6. 前記劣化検出手段は、前記第1の空燃比センサおよび前記第２の空燃比センサの出力に基づいて前記触媒の酸素蓄積能力を推定し、該酸素蓄積能力に基づいて前記触媒の劣化を検出する、請求項５に記載の触媒劣化検出装置。
7. 前記リッチ化手段は、ポスト噴射、インテークシャッタ閉弁、ＥＧＲ導入の少なくとも１つである、請求項５に記載の触媒劣化検出装置。
8. 前記空気導入手段は、電動過給機、２次エアーポンプの少なくとも１つである、請求項５に記載の触媒劣化検出装置。
   
   
   
   

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