JP2007016617A - 触媒劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系に上流側触媒および下流側触媒が設けられる場合において、内燃機関の過渡運転時でも上流側触媒の劣化を精度良く判定することができる触媒劣化判定装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関３から排気系５に排出された排ガスを浄化する触媒の劣化を判定する触媒劣化判定装置１であって、排気系５には、上流側から順に、上流側触媒７および下流側触媒９が触媒として設けられており、触媒劣化判定装置１は、上流側触媒７と下流側触媒９との間に設けられ、排ガスの温度を第１排ガス温度ＴＧ１として検出する第１排ガス温度センサ１２と、下流側触媒９よりも下流側に設けられ、排ガスの温度を第２排ガス温度ＴＧ２として検出する第２排ガス温度センサ１３と、を有し、第１および第２の排ガス温度ＴＧ１，ＴＧ２に基づいて、上流側触媒７の劣化を判定する（ステップ２４，４，８〜１０、３３、６３〜６７，５２，５３）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関から排気系に排出された排ガスを浄化する触媒の劣化を判定する触媒劣化判定装置に関する。

従来、この種の触媒劣化判定装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この触媒劣化判定装置では、内燃機関の排気管に、排ガス中のＣＯやＨＣを酸化し、浄化する触媒が設けられるとともに、その上流側および下流側に、排ガスの温度を検出する第１および第２の排ガス温度センサが、それぞれ設けられている。また、この触媒劣化判定装置では、触媒におけるＨＣなどの酸化反応に伴って発生した酸化発熱量を、第１および第２の排ガス温度センサで検出された排ガスの温度に基づいて算出し、算出した酸化発熱量が所定の判定値よりも小さいときに、触媒が劣化していると判定する。

しかし、例えば、触媒が排気マニホールドのすぐ下流側に設けられる場合には、触媒の上・下流の排ガスの温度は、内燃機関の運転状態の変動の影響を受けやすく、加速時や減速時などの過渡運転時には大きく変動する。このため、このような状態で、上述した従来の触媒劣化判定装置による手法で劣化判定を行った場合には、酸化発熱量を適切に算出できず、その結果、劣化判定を精度良く行うことができないおそれがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、排気系に上流側触媒および下流側触媒が設けられる場合において、内燃機関の過渡運転時でも上流側触媒の劣化を精度良く判定することができる触媒劣化判定装置を提供することを目的とする。

特開２００３−１０６１４０号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、内燃機関３から排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）に排出された排ガスを浄化する触媒（第１触媒７、第２触媒９）の劣化を判定する触媒劣化判定装置１であって、排気系には、上流側から順に、上流側触媒（第１触媒７）および下流側触媒（第２触媒９）が触媒として設けられており、排気系の上流側触媒と下流側触媒との間に設けられ、排ガスの温度を第１排ガス温度ＴＧ１として検出する第１排ガス温度センサ１２と、排気系の下流側触媒よりも下流側に設けられ、排ガスの温度を第２排ガス温度ＴＧ２として検出する第２排ガス温度センサ１３と、検出された第１および第２の排ガス温度ＴＧ１，ＴＧ２に基づいて、上流側触媒の劣化を判定する劣化判定手段（ＥＣＵ２、ステップ２４，４，８〜１０、３３、６３〜６７，５２，５３）と、を備えることを特徴とする。

この触媒劣化判定装置によれば、上流側触媒と下流側触媒との間の排ガスの温度である第１排ガス温度と、下流側触媒よりも下流側の排ガスの温度である第２排ガス温度が、第１および第２の排ガス温度センサによってそれぞれ検出され、検出された第１および第２の排ガス温度に基づき、劣化判定手段によって上流側触媒の劣化が判定される。上流側触媒が劣化している場合には、排ガスを上流側触媒で十分に浄化できなくなることによって、下流側触媒に到達する排ガス中の有害成分の量が多くなり、下流側触媒における触媒反応によって発生する発熱量が大きくなる。また、この場合の下流側触媒の発熱量は、第１および第２の排ガス温度の関係によって把握することができる。したがって、第１および第２の排ガス温度に基づいて、上流側触媒の劣化を判定することができる。

また、下流側触媒の上・下流の排ガスの温度は、上流側触媒の付近の排ガスの温度と比較して、内燃機関の運転状態が変動しても、その影響を受けにくく、安定しているため、上記のように、上流側触媒の劣化判定を、下流側触媒の上・下流で検出された第１および第２の排ガスの温度に基づいて行うことにより、過渡運転時でも、この劣化判定を精度良く行うことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の触媒劣化判定装置１において、第１排ガス温度ＴＧ１に基づいて、上流側触媒が劣化していないと仮定した場合における排気系の下流側触媒よりも下流側の排ガスの温度を、基準温度（第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２）として推定する基準温度推定手段（ＥＣＵ２、ステップ２４、６３〜６７）をさらに備え、劣化判定手段は、推定された基準温度と第２排ガス温度ＴＧ２との関係（第１温度偏差ΔＴ１、第２温度偏差ΔＴ２）に基づいて、上流側触媒の劣化を判定する（ステップ４，８〜１０、３３、５２，５３）ことを特徴とする。

この構成によれば、基準温度推定手段によって、第１排ガス温度に基づき、上流側触媒が劣化していないと仮定した場合における排気系の下流側触媒よりも下流側の排ガスの温度を、基準温度として推定し、推定した基準温度と第２排ガス温度との関係に基づいて、上流側触媒の劣化が判定される。基準温度は、その定義から明らかなように、上流側触媒が劣化していないと仮定した場合における下流側触媒の下流側の排ガスの温度を表す。これに対し、第２排ガス温度は、同じ位置での実際の排ガスの温度を表す。したがって、基準温度と第２排ガス温度との関係に基づいて、上流側触媒の劣化判定を精度良く行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態による触媒劣化判定装置について説明する。図１は、この触媒劣化判定装置１、およびこれを適用した内燃機関３を示している。この内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒タイプのディーゼルエンジンである。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５（排気系）がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して、高圧ポンプおよび燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。燃料タンクの燃料は、高圧ポンプによって、高圧に昇圧された後、コモンレールを介してインジェクタ６に送られ、インジェクタ６から燃焼室３ｃに噴射される。また、インジェクタ６の燃料噴射量ＱＩＮＪおよび噴射時期は後述するＥＣＵ２によって設定され、インジェクタ６の開弁時間および開弁タイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって、設定した燃料噴射量ＱＩＮＪおよび噴射時期が得られるように制御される。

排気管５には、排気マニホールド５ａの集合部（図示せず）のすぐ下流側に第１触媒７（上流側触媒）が設けられるとともに、それよりも下流側にフィルタ８が設けられている。第１触媒７は、例えば、酸化触媒で構成されており、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。フィルタ８は、排ガス中の煤などのパティキュレート（以下「ＰＭ」という）を捕集することによって、大気中に排出されるＰＭを低減する。また、フィルタ８の表面には、第１触媒７と同様の第２触媒９（下流側触媒）が担持されている。

また、排気管５には、フィルタ８のすぐ上流側および下流側に、第１排ガス温度センサ１２および第２排ガス温度センサ１３が、それぞれ設けられている。第１排ガス温度センサ１２は、フィルタ８のすぐ上流側の排ガスの温度（以下「第１排ガス温度」という）ＴＧ１を検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。第２排ガス温度センサ１３は、フィルタ８のすぐ下流側の排ガスの温度（以下「第２排ガス温度」という）ＴＧ２を検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

吸気管４には、エアフローセンサ１４が設けられており、エアフローセンサ１４は、吸入空気量ＱＡを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２にはさらに、回転数センサ１５から、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを表す検出信号が、アクセル開度センサ１６から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、出力される。

ＥＣＵ２（劣化判定手段、基準温度推定手段）は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種センサ１２〜１６からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、フィルタ８を再生するためのポスト噴射を実行するとともに、第１触媒７および第２触媒９の劣化を判定する触媒劣化判定処理を実行する。

なお、上記のポスト噴射は、フィルタ８に堆積したＰＭが大きくなったときに、排圧の上昇によるエンジン３の出力の低下や燃費の悪化を防止すべく、フィルタ８を再生するために行うものである。具体的には、膨張行程中または排気行程中にインジェクタ６から燃料を燃焼室３ｃに噴射することにより、未燃燃料を排ガス中に含ませ、第１触媒７や第２触媒９などで燃焼させ、フィルタ８に堆積したＰＭを燃焼させることによって、フィルタ８の再生が行われる。

次に、図２を参照しながら、上記の触媒劣化判定処理について説明する。本処理は、ポスト噴射の実行中に、所定の処理周期ｔ０（例えば１００ｍｓｅｃ）で実行される。このように、劣化判定をポスト噴射の実行中に行うのは、次の理由による。すなわち、本処理では、第２触媒９における排ガス中のＨＣやＣＯの酸化反応によって発生する発熱量が劣化時と非劣化時で異なることに着目し、この発熱量（以下「触媒反応発熱量」という）を推定し、推定した触媒反応発熱量に基づいて、第１触媒７および第２触媒９の劣化を判定する。また、ポスト噴射により排ガス中に未燃燃料を供給している状態では、排ガス中のＣＯなどに加えて、この未燃燃料が酸化されることから、上記のような劣化時と非劣化時の間の触媒反応発熱量の違いが非常に明確になるので、それにより、第１触媒７および第２触媒９の劣化を精度良く判定できるためである。

まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、第２触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ２ＮＧが「１」であるか否かを判別する。この第２触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ２ＮＧは、後述するように、第２触媒９が劣化していると判定されたときに、「１」にセットされるものである。この答がＹＥＳで、第２触媒９が劣化しているときには、劣化判定を行わないものとして、そのまま本処理を終了する。これは、上述した判定手法から明らかなように、第２触媒９が劣化している場合には、第１触媒７の劣化を適切に判定できないためである。

一方、上記ステップ１の答がＮＯのときには、ポスト噴射の開始から、所定時間ＴＩＲＥＦ１（例えば３００ｓｅｃ）が経過したか否かを判別する（ステップ２）。この所定時間ＴＩＲＥＦ１は、フィルタ８に堆積したＰＭの堆積量がポスト噴射によりほぼ値０になるのに要する時間に相当する時間として設定されている。

この答がＮＯのとき、すなわち、ポスト噴射の実行時間が短く、ＰＭの堆積量がまだ大きいときには、劣化判定を行わないものとして、そのまま本処理を終了する。これは、上述したように、推定した触媒反応発熱量に基づいて劣化判定を行うのに対し、ＰＭの堆積量が大きいときには、ＰＭの燃焼によるフィルタ８の温度の上昇度合が大きいことによって、触媒反応発熱量を適切に推定できず、劣化判定を精度良く行えないためである。一方、上記ステップ２の答がＹＥＳのときには、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１を算出する（ステップ３）。この第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１は、第２触媒９で酸化反応が行われないと仮定した場合に推定される第２触媒９の下流側の排ガスの温度を表す。

図３は、このＴＧＨＡＴ１算出処理を示しており、まず、そのステップ２１では、排ガス流量ＱＥＧを、吸入空気量ＱＡおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって算出する。このマップは、排ガスの流量を実験によって求め、その結果を吸入空気量ＱＡおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じてマップ化したものである。なお、燃料噴射量ＱＩＮＪは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって算出される。

次いで、次式（１）によって、フィルタ係数Ｋを算出する（ステップ２２）。
Ｋ＝ＫＢＡＳＥ＋ＫＣ ……（１）
ここで、ＫＢＡＳＥは、基本値であり、フィルタ８の熱容量が大きいほど、より大きな値に設定されている。また、ＫＣは、補正値であり、上記ステップ２１で算出された排ガス流量ＱＥＧに基づき、マップ（図示せず）を検索することによって算出され、同マップでは、排ガス流量ＱＥＧが大きいほど、より小さな値に設定されている。以上により、フィルタ係数Ｋは、フィルタ８の熱容量が大きいほどより大きな値に、排ガス流量ＱＥＧが大きいほどより小さな値に、算出される。

次に、算出したフィルタ係数Ｋと処理周期ｔ０を用い、次式（２）によって、重み係数ＱＸを算出する（ステップ２３）。
ＱＸ＝ｅｘｐ（−ｔ０／Ｋ） ……（２）

次いで、算出した重み係数ＱＸと第１排ガス温度の前回値ＴＧ１（ｎ−１）などを用い、次式（３）によって、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１を算出し（ステップ２４）、本処理を終了する。なお、記号（ｎ）付きの各離散データは、処理周期ｔ０ごとにサンプリングされたデータであることを示しており、以下の説明では、記号（ｎ）を適宜、省略するものとする。
ＴＧＨＡＴ１（ｎ）＝ＱＸ・ＴＧＨＡＴ１（ｎ−１）
＋（１−ＱＸ）・ＴＧ１（ｎ−１） ……（３）
なお、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１の初期値として、そのときの第１排ガス温度ＴＧ１（ｎ）が用いられる。

上記式（３）に示すように、第１推定基準温度の今回値ＴＧＨＡＴ１（ｎ）は、その前回値ＴＧＨＡＴ１（ｎ−１）と第１排ガス温度の前回値ＴＧ１（ｎ−１）を、重み係数ＱＸで加重平均することによって算出される。このように、この算出に第１排ガス温度の前回値ＴＧ１（ｎ−１）を用いるのは、排ガスが第２触媒９の上流側から下流側に到達するまでのむだ時間を補償するためである。

また、重み係数ＱＸは、前述したフィルタ係数Ｋの算出方法と前記式（１）から明らかなように、フィルタ８の熱容量が大きいほどより大きな値に、排ガス流量ＱＥＧが大きいほどより小さな値に、算出される。これにより、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１における第１排ガス温度ＴＧ１の重みは、フィルタ８の熱容量が大きいほどより小さくなり、排ガス流量ＱＥＧが大きいほどより大きくなる。これは、フィルタ８の熱容量が大きいほど、排ガスがフィルタ８を通過する際に奪われる熱量がより大きく、排ガスの温度の低下度合がより大きくなるためであり、また、排ガス流量ＱＥＧが大きいほど、排ガスがフィルタ８を通過する際に、排ガスの温度が低下しにくいためである。

さらに、重み係数ＱＸは、処理周期ｔ０が長いほど、すなわち、各離散データのサンプリング周期が長いほど、より小さな値に設定され、それにより、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１における第１排ガス温度ＴＧ１の重みは、このサンプリング周期が長いほど、より大きくなる。これは、サンプリング周期が長いほど、その前回値ＴＧ１（ｎ−１）と今回値ＴＧ１（ｎ）のサンプリング間の時間間隔がより長くなることから、前回値ＴＧ１（ｎ−１）の影響が下流側の排ガス温度により表れやすいためである。したがって、重み係数ＱＸを上記のように設定することにより、排ガスが第２触媒９の上流側から下流側に到達するまでのむだ時間を適切に補償できる。

図２に戻り、前記ステップ３に続くステップ４では、第２排ガス温度ＴＧ２から第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１を減算することによって、第１温度偏差ΔＴ１を算出する。この第１温度偏差ΔＴ１は、第２触媒９の酸化反応により発生した熱による排ガスの温度上昇分を表し、第２触媒９における実際の触媒反応発熱量に相当する。

次いで、第１温度偏差ΔＴ１が所定の第１判定値ΔＴＪＵＤ１よりも小さい状態が、所定時間ＴＩＲＥＦ２（例えば１０ｓｅｃ）、継続したか否かを判別する（ステップ５）。この答がＮＯのときには、第２触媒９が劣化していないと判定し、そのことを表すために、第２触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ２ＮＧを「０」にセットする（ステップ６）。

次に、第１温度偏差ΔＴ１が上記第１判定値ΔＴＪＵＤ１よりも大きな所定の第２判定値ΔＴＪＵＤ２よりも大きく、かつその状態が所定時間ＴＩＲＥＦ２、継続したか否かを判別する（ステップ８）。この答がＮＯのときには、第２触媒９における触媒反応発熱量がそれほど高くなく、第１触媒７で酸化反応が適切に行われているとして、第１触媒７が劣化していないと判定し、そのことを表すために、第１触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ１ＮＧを「０」にセットした（ステップ９）後、本処理を終了する。

一方、上記ステップ８の答がＹＥＳのとき、すなわち触媒反応発熱量が高い状態が継続しているときには、第１触媒７で酸化反応が適切に行われていないとして、第１触媒７が劣化していると判定し、第１触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ１ＮＧを「１」にセットした（ステップ１０）後、本処理を終了する。

一方、前記ステップ５の答がＹＥＳで、ΔＴ１＜ΔＴＪＵＤ１の状態が所定時間ＴＩＲＥＦ２、継続したときには、第２触媒９が劣化していると判定し、第２触媒劣化フラグＦ＿ＣＡＴ２ＮＧを「１」にセットし（ステップ７）、本処理を終了する。なお、このように第２触媒９が劣化していると判定されると、以降、前記ステップ１の答がＹＥＳとなり、第１及び第２触媒７，９の劣化判定は行われない。

以上のように第２触媒９の劣化を判定するのは、次の理由による。すなわち、ポスト噴射により供給された排ガス中の未燃燃料などのごく一部は、第１触媒７が劣化していなくても、第１触媒７で酸化されずにすり抜けて、フィルタ８に到達する。そして、第２触媒９が劣化していない場合には、この到達した未燃燃料などは第２触媒９で酸化され、この酸化反応により発生した熱によって排ガスが昇温される結果、第１温度偏差ΔＴ１は第１判定値ΔＴＪＵＤ１を上回る。一方、劣化している場合には、第２触媒９におけるこの未燃燃料などの酸化反応が不十分であり、その結果、第１温度偏差ΔＴ１は第１判定値ΔＴＪＵＤ１を下回るためである。

以上のように、本実施形態によれば、第１排ガス温度ＴＧ１に基づいて、第２触媒９において酸化反応が行われないと仮定した場合における第２触媒９の下流側の排ガス温度を、第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１として推定する。そして、第２排ガス温度ＴＧ２と第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１との差である第１温度偏差ΔＴ１に基づいて第１触媒７の劣化を判定するので、この判定を精度良く行うことができる。また、劣化判定を、第２触媒９の上・下流で検出された第１および第２の排ガス温度ＴＧ１，ＴＧ２に基づいて行うので、エンジン３の過渡運転時でも精度良く行うことができる。さらに、第１触媒７および第２触媒９の劣化判定を、第１および第２の排ガス温度センサ１２，１３のみによって行えるので、第１触媒７の上流側の排ガス温度センサが不要になり、その分、劣化判定のための排ガス温度センサの数を削減することができる。

次に、図４〜図７を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１触媒７が劣化していない場合においても、第１触媒７で酸化されずにすり抜けてくる未燃燃料が存在することを考慮し、このすり抜け未燃燃料が第２触媒９で酸化することによって生じる排ガスの温度上昇分を排ガス上昇温度ΔＴＰとして推定し、この排ガス上昇温度ΔＴＰと排ガスの実際の温度上昇分である第１温度偏差ΔＴ１との比較結果に基づいて、第１および第２触媒７，９の劣化を判定するものである。

図４に示すように、本実施形態では、図１に示した第１実施形態の構成に加え、排気管５の排気マニホールド５ａの集合部に、触媒前ガス温度センサ１１が設けられている。この触媒前ガス温度センサ１１は、第１触媒７のすぐ上流側の排ガスの温度（以下「触媒前排ガス温度」という）ＴＧＣＡＴを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、図５は、本実施形態による触媒劣化判定処理を示しており、同図において、第１実施形態による図２の処理と同じ実行内容の部分については、同じステップ番号を付している。以下、第１実施形態と異なる実行内容の部分を中心として説明する。

前記ステップ１〜４に続くステップ３１では、排ガス上昇温度ΔＴＰを算出する。図６は、このΔＴＰ算出処理を示しており、まず、そのステップ４１では、排ガス流量ＱＥＧおよび触媒前ガス温度ＴＧＣＡＴに応じ、図７に示すＰＣＳＲマップを検索することによって、すり抜け率ＰＣＳＲを算出する。

このすり抜け率ＰＣＳＲは、第１触媒７が劣化していないときに、ポスト噴射により排ガス中に供給された総未燃燃料量に対するすり抜け未燃燃料量の割合を表す。このＰＣＳＲマップでは、排ガス流量ＱＥＧおよび触媒前ガス温度ＴＧＣＡＴに応じた７つの領域に区分されている。これらの領域に対して、所定のすり抜け率ＰＣＳＲがそれぞれ割り当てられており、各領域に付した数字は、その値が小さいほど、すり抜け率ＰＣＳＲが大きいことを表す。すなわち、すり抜け率ＰＣＳＲは、排ガス流量ＱＥＧが大きいほど、第１触媒７で酸化されずにすり抜ける未燃燃料の割合が高くなるため、より大きな値に設定され、また、触媒前ガス温度ＴＧＣＡＴが低いほど、すなわち第１触媒７に流入する排ガスの温度が低いほど、未燃燃料が第１触媒７で燃焼しにくく、第１触媒７をすり抜けやすいため、より大きな値に設定されている。

次に、算出したすり抜け率ＰＣＳＲをそのときに設定されているポスト噴射による燃料噴射量（以下「ポスト噴射量」という）ＱＰＯＳＴに乗算することによって、すり抜け未燃燃料量ＱＰＤＰＦを算出する（ステップ４２）。なお、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴは、次のようにして算出される、すなわち、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、基本ポスト噴射量を算出し、第１排ガス温度ＴＧ１がフィルタ８を再生可能な所定温度になるように、所定のフィードバック制御アルゴリズムによって、補正値を算出する。そして、基本ポスト噴射量を補正値で補正することによって、ポスト噴射量ＱＰＯＳＴが算出される。

次いで、算出したすり抜け未燃燃料量ＱＰＤＰＦと排ガス流量ＱＥＧを用い、次式（４）によって排ガス上昇温度ΔＴＰを算出し（ステップ４３）、本処理を終了する。
ΔＴＰ＝ＱＰＤＰＦ／（Ｃ・ＱＥＧ） ……（４）
ここで、Ｃは、定数であり、すり抜け未燃燃料量ＱＰＤＰＦをその分の未燃燃料が燃焼したときに発生する熱量とみなした場合の排ガスの比熱に相当するものである。したがって、排ガス上昇温度ΔＴＰは、第１および第２触媒７，９が劣化していないと仮定した場合に、第１触媒７をすり抜けた未燃燃料が第２触媒９で酸化することによって生じる排ガスの温度上昇分に相当する。

図５に戻り、前記ステップ３１に続くステップ３２では、第１温度偏差ΔＴ１が排ガス上昇温度ΔＴＰから所定値ＴＲＥＦを減算した値よりも小さく、かつその状態が所定時間ＴＩＲＥＦ２、継続したか否かを判別する。この答がＮＯのときには、第２触媒９が劣化していないと判定し、前記ステップ６を実行する一方、ＹＥＳのときには、第２触媒９が劣化していると判定し、前記ステップ７を実行する。

ステップ６に続くステップ３３では、第１温度偏差ΔＴ１が排ガス上昇温度ΔＴＰに所定値ＴＲＥＦを加算した値よりも大きく、かつその状態が所定時間ＴＩＲＥＦ２、継続したか否かを判別する。この答がＮＯのときには、第１触媒７が劣化していないと判定し、前記ステップ９を実行する一方、ＹＥＳのときには、第１触媒７が劣化していると判定し、前記ステップ１０を実行する。

以上のように、本実施形態によれば、第１および第２触媒７，９が劣化していないと仮定した場合に、すり抜け未燃燃料が第２触媒９で酸化することによる排ガスの温度上昇分を、排ガス上昇温度ΔＴＰとして推定する（ステップ３１）。そして、この排ガス上昇温度ΔＴＰと、第２触媒９での酸化反応による排ガスの実際の温度上昇分に相当する第１温度偏差ΔＴ１との比較結果に基づいて、第１および第２触媒７，９の劣化を判定する（ステップ３２、３３）。また、前述したように、すり抜け未燃燃料量ＱＰＤＰＦをエンジン３の負荷に応じて算出し、算出したすり抜け未燃燃料量ＱＰＤＰＦに応じて排ガス上昇温度ΔＴＰを算出するので、エンジン３の負荷がいかなる負荷領域にあっても、エンジン３の負荷に応じて、第１および第２触媒７，９の劣化をより精度良く判定することができる。

なお、本実施形態では、排ガス上昇温度ΔＴＰを本処理の実行ごとに、エンジン３の負荷に応じて算出しているが、エンジン３の負荷が所定の負荷領域にあることを条件として、劣化判定を実行し、排ガス上昇温度ΔＴＰをその負荷領域に応じた所定値に設定してもよい。

また、第１および第２実施形態では、劣化判定を、第２排ガス温度ＴＧ２と第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１との差である第１温度偏差ΔＴ１に基づいて行っているが、第２排ガス温度ＴＧ２と第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１との比に基づいて行ってもよい。

次に、図８および図９を参照しながら、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態のハード構成は、図４に示した第２実施形態のそれと同じである。また、図８は、本実施形態による触媒劣化判定処理を示しており、同図において、第２実施形態による図５の処理と同じ実行内容の部分については、同じステップ番号を付している。以下、第２実施形態と異なる実行内容の部分を中心として説明する。

本処理では、前記ステップ１〜６までの処理を第２実施形態と同様に行い、ステップ６に続くステップ５１において、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２を算出する。この第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２は、第１および第２触媒７，９が劣化していないと仮定するとともに、第２触媒９における酸化反応による排ガスの温度上昇分を加味した場合に推定される第２触媒９の下流側の排ガスの温度を表す。図９はこのＴＧＨＡＴ２算出処理を示しており、まず、そのステップ６１では、第１フィルタ係数Ｋ１を算出する。第１フィルタ係数Ｋ１は、フィルタ８の熱容量および排ガス流量ＱＥＧに応じ、前記ステップ２２で算出されるフィルタ係数Ｋと同様にして算出される。

次いで、算出した第１フィルタ係数Ｋ１と処理周期ｔ０を用い、第１重み係数Ｑ１を次式（５）によって算出する（ステップ６２）。
Ｑ１＝ｅｘｐ（−ｔ０／Ｋ１） ……（５）
以上の結果、第１重み係数Ｑ１は、上述した第１フィルタ係数Ｋ１の算出方法と上記式（５）から明らかなように、前記重み係数ＱＸと同様、フィルタ８の熱容量が大きいほどより大きな値に、排ガス流量ＱＥＧが大きいほどより小さな値に、算出される。

次に、算出した第１重み係数Ｑ１を用い、次式（６）によって、第１フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）を算出する（ステップ６３）。
ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）＝Ｑ１・ＴＣＤＰＦ１（ｎ−２）
＋（１−Ｑ１）・ＴＧ１（ｎ−２）……（６）

この第１フィルタ中心ガス温度ＴＣＤＰＦ１は、第２触媒９で酸化反応が行われないと仮定した場合におけるフィルタ８の中心位置での排ガスの温度を表す。なお、上記式（６）における各離散データが得られるまでは、第１フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）として、第１排ガス温度の今回値ＴＧ１（ｎ）が用いられる。

また、式（６）に示すように、第１フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）は、その前々回値ＴＣＤＰＦ１（ｎ−２）と第１排ガス温度の前々回値ＴＧ１（ｎ−２）を、重み係数Ｑ１で加重平均することによって算出される。このように、第１排ガス温度の前々回値ＴＧ１（ｎ−２）を用いるのは、排ガスがフィルタ８の上流側からフィルタ８の中心に到達するまでのむだ時間を補償するためである。

次いで、算出した第１フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）を用い、次式（７）によって、第２フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）を算出する（ステップ６４）。
ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）＝ＴＣＤＰＦ１（ｎ−１）＋ΔＴＰ（ｎ−１）
……（７）
ここで、ΔＴＰ（ｎ−１）は、前述した第２実施形態と同様にして算出される排ガス上昇温度の前回値である。この第２フィルタ中心ガス温度ＴＣＤＰＦ２は、その算出方法から明らかなように、すり抜け未燃燃料による温度上昇分を含んだフィルタ８の中心位置での排ガスの温度を表す。なお、上記式（７）中の排ガス上昇温度の前回値ΔＴＰ（ｎ−１）の初期値としては、所定値が用いられる。

次に、第２フィルタ係数Ｋ２を、フィルタ８の熱容量および排ガス流量ＱＥＧに応じ、前述した第１フィルタ係数Ｋ１と同様にして算出する（ステップ６５）。

次いで、算出した第２フィルタ係数Ｋ２と処理周期ｔ０を用い、第２重み係数Ｑ２を次式（８）によって算出する（ステップ６６）。
Ｑ２＝ｅｘｐ（−ｔ０／Ｋ２） ……（８）
これにより、第２重み係数Ｑ２は、上述した第２フィルタ係数Ｋ２の算出方法と上記式（８）から明らかなように、前記第１重み係数Ｑ１と同様、フィルタ８の熱容量が大きいほどより大きな値に、排ガス流量ＱＥＧが大きいほどより小さな値に、算出される。

次に、算出した第２重み係数Ｑ２および第２フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）などを用い、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２を次式（９）によって算出し（ステップ６７）、本処理を終了する。
ＴＧＨＡＴ２（ｎ）＝Ｑ２・ＴＧＨＡＴ２（ｎ−１）
＋（１−Ｑ２）・ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）……（９）
なお、第２推定基準温度の今回値ＴＧＨＡＴ２（ｎ）は、その前回値ＴＧＨＡＴ２（ｎ−１）が得られるまでは、第２フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）に設定される。

上記式（９）に示すように、第２推定基準温度の今回値ＴＧＨＡＴ２（ｎ）は、その前回値ＴＧＨＡＴ２（ｎ−１）と第２フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）を、第２重み係数Ｑ２で加重平均することによって算出される。このように、この算出に第２フィルタ中心ガス温度の前回値ＴＣＤＰＦ２（ｎ−１）を用いるのは、排ガスがフィルタ８の中心から下流側に到達するまでのむだ時間を補償するためである。

図８に戻り、前記ステップ５１に続くステップ５２では、第２排ガス温度ＴＧ２から第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２を減算することによって、第２温度偏差ΔＴ２を算出する。次いで、算出した第２温度偏差ΔＴ２が所定の第３判定値ΔＴＪＵＤ３（例えば値０）よりも大きい状態が所定時間ＴＩＲＥＦ２、継続したか否かを判別する（ステップ５３）。この答がＮＯのときには、第１触媒７が劣化していないと判定し、前記ステップ９を実行する一方、ＹＥＳのときには、第１触媒７が劣化していると判定し、前記ステップ１０を実行する。

このように、第１触媒７の劣化を判定するのは、次の理由による。すなわち、前述したように、上記ステップ５１で算出される第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２は、第１および第２触媒７，９が劣化していないと仮定した場合に得られる第２触媒９の下流側の排ガスの温度を推定したものであるのに対し、第２排ガス温度ＴＧ２は、第２触媒９が劣化していない状態での第２触媒９の下流側における実際の排ガス温度を表す。したがって、第１触媒７が劣化していないときには、第２排ガス温度ＴＧ２は第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２とほぼ等しくなり、ＴＧ２からＴＧＨＡＴ２を減算した第２温度偏差ΔＴ２が、ほぼ値０になる。これに対して、第１触媒７が劣化しているときには、この劣化を原因としてすり抜けてくる未燃燃料が第２触媒９で酸化反応することにより、その分、排ガスの実際の上昇温度が大きくなることによって、ＴＧ２はＴＧＨＡＴ２よりも大きくなり、第２温度偏差ΔＴ２が第３判定値ΔＴＪＵＤ３を上回るためである。

以上のように、本実施形態によれば、第１排ガス温度ＴＧ１に応じて、第１および第２触媒７，９が劣化していないと仮定した場合に得られる第２触媒９の下流側の排ガスの温度を第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２として算出し、この第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２と第２排ガス温度ＴＧ２との比較結果に基づいて、第１触媒７の劣化を判定する。また、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２の算出を排ガス上昇温度ΔＴＰに応じて行うので、第２実施形態と同様、エンジン３の負荷がいかなる負荷領域にあっても、エンジン３の負荷に応じて第２触媒９の劣化を精度良く判定することができる。さらに、第１排ガス温度ＴＧ１からの第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２の推定を、フィルタ８の中心を中継点として、２段階に分けてきめ細かく行うので、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２をより精度良く推定することができる。

なお、第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２は、前述した式（９）に限らず、例えば、図３の前記ステップ２４で算出した第１推定基準温度ＴＧＨＡＴ１に、排ガス上昇温度ΔＴＰを加算することによって算出してもよく、または次式（１０）によって、算出してもよい。
ＴＧＨＡＴ２（ｎ）＝ＱＸ・ＴＧＨＡＴ２（ｎ−１）
＋（１−ＱＸ）・（ＴＧ１（ｎ−１）＋ΔＴＰ（ｎ−１）） ……（１０）

また、本実施形態では、第１触媒７の劣化判定を、第２排ガス温度ＴＧ２と第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２との差である第２温度偏差ΔＴ２に基づいて行っているが、第２排ガス温度ＴＧ２と第２推定基準温度ＴＧＨＡＴ２との比に基づいて行ってもよい。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第１〜第３実施形態（以下、単に「実施形態」という）では、下流側触媒として、フィルタ８に担持された第２触媒９を用いたが、フィルタ８と独立したタイプのものでもよいことはもちろんであり、排ガスを浄化する触媒であれば、任意のものを用いることができる。また、実施形態では、上流側触媒として単一の第１触媒７を用いたが、その数は、複数であってもよいことはもちろんである。さらに、実施形態では、劣化判定を、ポスト噴射の実行中に行っているが、エンジン３の通常運転中に行ってもよい。

また、実施形態では、フィルタ８に堆積したＰＭの燃焼による劣化判定への影響を排除するために、ポスト噴射の開始から前述した所定時間ＴＩＲＥＦ１が経過したときに、劣化判定を行っているが、ポスト噴射の実行中、フィルタ８のＰＭの堆積量を推定し、推定したＰＭ堆積量がほぼ値０になったときに、劣化判定を行ってもよく、または、推定したＰＭ堆積量が値０になった後にポスト噴射をさらに実行し、劣化判定を行ってもよい。また、高負荷運転時には、排ガス温度が高いことによって、フィルタ８の再生が自然に行われるので、そのような高負荷運転状態が所定時間、継続し、フィルタ８のＰＭ堆積量がほぼ値０であると推定して、劣化判定を行ってもよい。

さらに、実施形態では、第２触媒９の劣化を、第１温度偏差ΔＴ１に基づいて判定しているが、単純に、第２排ガス温度ＴＧ２に基づいて判定してもよく、この場合、第２排ガス温度ＴＧ２が所定のしきい値を下回っている場合に、第２触媒９が劣化していると判定することができる。また、実施形態は、本発明を、ポスト噴射により未燃燃料を排ガス中に供給するエンジン３に適用した例であるが、本発明は、排気管５の第１触媒７よりも上流側に別個に設けられたインジェクタによって、未燃燃料を排気管５内に直接、噴射し、排ガス中に供給するエンジンにも適用可能である。

さらに、実施形態は、本発明をディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ディーゼルエンジン以外の各種のエンジン、例えば、ガソリンエンジンやクランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンに適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

第１実施形態による触媒劣化判定装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 第１実施形態による触媒劣化判定処理を示すフローチャートである。 図２のＴＧＨＡＴ１算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 第２および第３実施形態による触媒劣化判定装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 第２実施形態による触媒劣化判定処理を示すフローチャートである。 図５のΔＴＰ算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図６の処理で用いられるＰＣＳＲマップの一例である。 第３実施形態による触媒劣化判定処理を示すフローチャートである。 図８のＴＧＨＡＴ２算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 触媒劣化判定装置
２ ＥＣＵ（劣化判定手段、基準温度推定手段）
３ エンジン
５ 排気管（排気系）
７ 第１触媒（触媒、上流側触媒）
９ 第２触媒（触媒、下流側触媒）
１２ 第１排ガス温度センサ
１３ 第２排ガス温度センサ
ＴＧ１ 第１排ガス温度
ＴＧ２ 第２排ガス温度
ＴＧＨＡＴ１ 第１推定基準温度（基準温度）
ΔＴ１ 第１温度偏差（基準温度と第２排ガス温度との関係）
ＴＧＨＡＴ２ 第２推定基準温度（基準温度）
ΔＴ２ 第２温度偏差（基準温度と第２排ガス温度との関係）

Claims (2)

1. 内燃機関から排気系に排出された排ガスを浄化する触媒の劣化を判定する触媒劣化判定装置であって、
   前記排気系には、上流側から順に、上流側触媒および下流側触媒が前記触媒として設けられており、
   前記排気系の前記上流側触媒と前記下流側触媒との間に設けられ、排ガスの温度を第１排ガス温度として検出する第１排ガス温度センサと、
   前記排気系の前記下流側触媒よりも下流側に設けられ、排ガスの温度を第２排ガス温度として検出する第２排ガス温度センサと、
   前記検出された第１および第２の排ガス温度に基づいて、前記上流側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劣化判定装置。
2. 前記第１排ガス温度に基づいて、前記上流側触媒が劣化していないと仮定した場合における前記排気系の前記下流側触媒よりも下流側の排ガスの温度を、基準温度として推定する基準温度推定手段をさらに備え、
   前記劣化判定手段は、前記推定された基準温度と前記第２排ガス温度との関係に基づいて、前記上流側触媒の劣化を判定することを特徴とする、請求項１に記載の触媒劣化判定装置。

Images