JP2007040130A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、触媒からのＨＣの流出を検出することができる技術を提供する。
【解決手段】酸化能力を有する触媒と、触媒よりも下流側の排気の空燃比を検出する空燃比センサと、触媒よりも上流の排気中へ燃料を添加する燃料添加手段と、燃料添加手段により燃料が添加されているときの排気の空燃比を推定する空燃比推定手段（Ｓ１０２）と、空燃比センサにより検出される空燃比と空燃比推定手段により推定される空燃比との比較値に基づいて触媒からＨＣが流出しているか否か判定するＨＣ流出判定手段（Ｓ１０３）と、を具備する。すなわち、空燃比センサのリーンずれに基づいてＨＣの流出を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

計算で求まる空燃比と、排気通路に設けられた空燃比センサにより得られる空燃比と、に基づいて燃料噴射量をフィードフォワード制御またはフィードバック制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、三元触媒よりも上流側で検出される空燃比と下流側で検出される空燃比との差に基づいて該三元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２参照。）。
特開２００４−４４４５４号公報 特開平５−１７１９２２号公報 特許第２７０５０３９号公報

ここで、空燃比センサでは、排気中に含まれる酸素とＨＣとが該空燃比センサが発する熱により反応して酸素が消費される。そして、残った酸素量に応じた大きさの電流が流れる。この電流の大きさに基づいて酸素とＨＣとの比、すなわち空燃比を検出している。

しかし、排気中に含まれる燃料のクラッキングが十分でないと、排気中に含まれる一部の燃料が酸素と反応することができなくなる。すなわち、ＨＣと反応せずに残る酸素の量が多くなるため、空燃比センサにて流れる電流が大きくなる。その結果、空燃比センサにより検出される空燃比は、実際よりもリーン側へずれることになる。なお、このようにして起こる検出空燃比のずれを以下、「リーンずれ」という。

従来のように、燃料供給量を空燃比センサにより得られる空燃比に基づいてフィードバック制御する場合や、空燃比センサにより得られる空燃比に基づいて触媒の劣化判定をする場合には、排気の空燃比を空燃比センサにより正確に検出することが求められる。しかし、空燃比センサのリーンずれが起こると空燃比を正確に検出することが困難となる。

これに対し、空燃比センサのリーンずれが発生しているか否か判定することができれば、リーンずれが発生している状態で燃料噴射量のフィードバック制御や触媒の劣化判定が行われることを抑制できる。そのためにＨＣ濃度を検出するＨＣセンサを設けることも考えられるが、その分コスト高となる。

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、内燃機関の排気浄化装置において、触媒からのＨＣの流出を検出する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排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の排気通路に設けられた酸化能力を有する触媒と、
前記触媒よりも下流側の排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
前記触媒よりも上流の排気中へ燃料を添加する燃料添加手段と、
前記燃料添加手段により燃料が添加されているときの排気の空燃比を推定する空燃比推定手段と、
前記空燃比センサにより検出される空燃比と前記空燃比推定手段により推定される空燃比との比較値に基づいて前記触媒からＨＣが流出しているか否か判定するＨＣ流出判定手段と、
を具備することを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、燃料添加時の空燃比センサのリーンずれの大きさに基づいて、燃料中に含まれるＨＣが触媒をすり抜けているか否か判定する点にある。

ここで、触媒の劣化等により、排気中に添加された燃料のクラッキングが十分に行われないと、該触媒よりも下流に高分子のＨＣが流れ出る。この高分子のＨＣにより、空燃比センサがリーンずれを起こす。

このときのリーンずれの大きさは、排気中のＨＣ濃度と相関がある。そして、空燃比センサにより検出される空燃比と、吸入空気量および供給燃料量等に基づいて計算上求まる空燃比と、の差が大きくなる。この差も、排気中のＨＣ濃度と相関がある。したがって、空燃比センサにより検出される空燃比と、計算上求まる空燃比と、の差または割合等の比較値に基づいて、触媒よりも下流へのＨＣの流出を検出することが可能となる。

たとえば、空燃比センサにより検出される空燃比と、計算上求まる空燃比と、の差が大きくなるほど、排気中のＨＣ量は多くなる。この差が所定値よりも大きくなったときに、触媒からＨＣが流出していると判断してもよい。また、空燃比センサにより検出される空燃比を、計算上求まる空燃比で除した値が所定値よりも大きくとなったときに、触媒からＨＣが流出していると判断してもよい。

また、本発明においては、前記空燃比推定手段により推定される排気の空燃比がストイキよりも大きく且つ１６よりも小さいときにおける前記ＨＣ流出判定手段による判定結果に基づいて前記触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定手段をさらに備えることができる。

ここで、触媒が劣化すると、該触媒でクラッキングされるＨＣの量が少なくなる。そのため、クラッキングが十分でないＨＣが触媒から流出するので、空燃比センサのリーンずれが大きくなる。したがって、空燃比センサのリーンずれの大きさに基づいて、触媒の劣化判定を行うことができる。たとえば、空燃比センサにより検出される空燃比と、計算上求まる空燃比と、の差または割合が所定値よりも大きくなった場合に触媒が劣化していると判断することができる。

しかし、排気の空燃比がストイキ以下となると、たとえ触媒が正常であったとしても排気中の酸素が足りなくなるため、ＨＣが十分にクラッキングされずに触媒から流出する。これにより、空燃比センサがリーンずれを起こすため、リーンずれに基づいた触媒劣化判定が困難となる。一方、空燃比が１６以上となると、排気中に酸素が多く含まれているため、たとえ触媒が劣化していてもＨＣのクラッキングが促進される。そのため、触媒から流出するＨＣの量が少なくなり、空燃比センサのリーンずれが起きにくくなる。そのため、リーンずれに基づいた触媒の劣化判定が困難となる。

すなわち、排気の空燃比がストイキよりも大きく且つ１６よりも小さいときに前記触媒の劣化を判定することで、より正確な触媒劣化判定を行うことができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、触媒からのＨＣの流出を検出すること
ができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化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排気浄化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。

図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、該内燃機関１の気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１１が備えられている。

また、内燃機関１には、燃焼室へ通じる排気通路２が接続されている。この排気通路２は、下流にて大気へと通じている。

前記排気通路２の途中には、酸化触媒３が設けられている。この酸化触媒３は、酸化能力を有する触媒であればよく、例えば三元触媒、ＮＯx触媒等を用いることができる。

酸化触媒３よりも上流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する燃料添加弁４を備えている。ここで、燃料添加弁４は、後述するＥＣＵ８からの信号により開弁して排気中へ燃料を噴射する。なお、本実施例においては、燃料添加弁４が、本発明における燃料添加手段に相当する。

また、酸化触媒３よりも下流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する空燃比センサ５が取り付けられている。

一方、内燃機関１には、燃焼室へ通じる吸気通路６が接続されている。吸気通路６の途中には、該吸気通路６を流通する吸気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。

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ＥＣＵ８が併設されている。このＥＣＵ８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。

ＥＣＵ８には、前記した空燃比センサ５が電気配線を介して接続され、該空燃比センサ５の出力信号がＥＣＵ８へ入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ８には、燃料添加弁４および筒内燃料噴射弁１１が電気配線を介して接続されている。この燃料添加弁４および筒内燃料噴射弁１１は、ＥＣＵ８により制御される。

そして、本実施例では、燃料添加弁４から燃料を添加しているときに空燃比センサ５により検出される空燃比（以下、検出空燃比という。）と、計算により求められる空燃比（以下、計算空燃比という。）と、の差（以下、空燃比差という。）を算出し、該算出値に基づいて酸化触媒３からＨＣが流出しているか否か判定する。

なお、計算空燃比は、エアフローメータ７により検出される吸入空気量、筒内燃料噴射
弁１１により内燃機関に供給される燃料量、および燃料添加弁４から添加される燃料量に基づいて算出することができる。

ここで、空燃比センサ５により検出される空燃比は、該空燃比センサ５の周辺に高分子のＨＣが存在している場合、リーン側にずれることが知られている。そして、リーンずれの大きは空燃比差として現れる。そのため、空燃比差に基づいて排気中に高分子のＨＣが存在しているか否か判断することが可能となる。例えば、空燃比差が所定値以上となった場合には、酸化触媒３から高分子のＨＣが流出していると判定することができる。

また、排気中のＨＣ量が多くなるほど、酸化触媒３の浄化能力が低下していると考えられる。そのため、例えば空燃比差が所定値よりも大きい場合に酸化触媒３が劣化していると判定してもよい。

すなわち、酸化触媒３が劣化していないときには、排気中の高分子が該酸化触媒３にてクラッキングされるので、空燃比センサ５の周辺に存在する高分子のＨＣの量は少ない。そのため、空燃比センサ５のリーンずれもほとんど無い。

一方、酸化触媒３の劣化が進行すると、酸化触媒３に流入する高分子のＨＣのクラッキングが十分に行われず、その結果、空燃比センサ５の周辺には高分子のＨＣが多く存在することとなる。そのため、空燃比センサ５のリーンずれが発生する。

したがって、空燃比センサ５のリーンずれが大きいほど酸化触媒３の劣化度合いが大きいといえる。

そして、酸化触媒３の劣化が進行するにしたがって、空燃比差が大きくなる。ここで、酸化触媒３が正常であるとされる空燃比差の上限値を予め実験等により得ておけば、この上限値よりも空燃比差が大きくなったときに酸化触媒３が劣化していると判定することができる。

次に、本実施例における酸化触媒３の劣化判定フローについて説明する。

図２は、本実施例における酸化触媒３の劣化判定フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、燃料添加弁４から燃料が添加されたときに実行させる。

ステップＳ１０１では、空燃比センサ５により排気の空燃比が検出される。すなわち、検出空燃比を得る。

ステップＳ１０２では、エアフローメータ７により検出される吸入空気量、筒内燃料噴射弁１１により内燃機関に供給される燃料量、および燃料添加弁４から添加される燃料量に基づいて空燃比が算出される。すなわち、計算空燃比を得る。なお、本実施例においては、ステップＳ１０２の処理を行うＥＣＵ８が、本発明における空燃比推定手段に相当する。

ステップＳ１０３では、空燃比差が所定値よりも大きいか否か判定される。すなわち、酸化触媒３からＨＣが流出しているか否か判定される。この所定値は、酸化触媒３が正常であるときの空燃比差の上限値であり、予め実験等により求めてＥＣＵ８に記憶させておく。なお、本実施例においては、ステップＳ１０３の処理を行うＥＣＵ８が、本発明におけるＨＣ流出判定手段に相当する。

ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み一方否定判定
がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０４では、酸化触媒３が劣化していると判定される。すなわち、酸化触媒３で反応するＨＣの量が減少し、該酸化触媒３から流出する高分子のＨＣの量が多くなっていると判定される。

ステップＳ１０５では、燃料添加弁４から添加される燃料量を減少し、または酸化触媒３の温度を上昇させる。すなわち、酸化触媒３の酸化能力が低下しているため、処理可能なＨＣの量が少なっている。これに対し、排気中に添加する燃料量を減少させることにより、酸化触媒３の処理能力を超えないようにする。また、酸化触媒３の温度を上昇させることにより、酸化触媒３の酸化能力を向上させることができる。

これらの処理を行うことにより、酸化触媒３から流出するＨＣ量を減少させることができ、ＨＣが大気中へ放出されることを抑制できる。

ステップＳ１０５では、酸化触媒３は正常であると判定される。

このようにして、酸化触媒３からＨＣが流出しているか否か判定することができ、これにより酸化触媒３の劣化判定を行うことが可能となる。そして、酸化触媒３の劣化が検出された場合には、ＨＣを大気中へ放出させない処理を行うことにより、大気中へのＨＣの放出を抑制することができる。

なお、本実施例においては、酸化触媒３の劣化を判定せずに、空燃比差または検出されたＨＣ量に基づいて燃料添加量の調整または酸化触媒３の昇温を行うようにしてもよい。すなわち、酸化触媒３が劣化しているか否かに関わらず、空燃比差または検出されたＨＣ量に基づいて燃料添加量の調整または酸化触媒３の昇温を行うようにしてもよい。この場合、ステップＳ１０４の処理を省くことができる。

なお、本実施例においては、計算空燃比がストイキ（１４．７）よりも大きく且つ１６よりも小さいときに酸化触媒３の劣化判定を行うようにしてもよい。

ここで、排気の空燃比がストイキ以下となると、酸化触媒３が正常であっても、排気中の酸素不足により高分子のＨＣが酸化触媒３をすり抜ける。これにより、空燃比センサ５がリーンずれを起こして、検出空燃比が大きくなる。

一方、排気の空燃比が１６以上となると、排気中に酸素が過剰に存在するために、酸化触媒３が劣化していてもＨＣが酸化されるので、空燃比センサ５のリーンずれが抑制される。

したがって、酸化触媒３の劣化判定をより正確に行うために、計算空燃比がストイキ（１４．７）よりも大きく且つ１６よりも小さいときに酸化触媒３の劣化判定を行うようにしてもよい。

図３は、本実施例における酸化触媒３の劣化判定フローを示した第２のフローチャートである。本ルーチンは、燃料添加弁４から燃料が添加されたときに実行させる。なお、図２に示すフローチャートと比較して、ステップＳ２０１のみが相違する。

ステップＳ２０１では、計算空燃比がストイキよりも大きく且つ１６よりも小さいか否か判定される。すなわち、酸化触媒３の劣化判定をより正確に行うことのできる空燃比であるか否か判定される。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、酸化触媒３の劣化判定が行われる。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。なお、本実施例においては、ステップＳ２０１の処理に続いてステップＳ１０３の処理を行うＥＣＵ８が、本発明における触媒劣化判定手段に相当する。

このようにして、酸化触媒３の劣化判定をより正確に行うことができる。

なお、本実施例においては、検出空燃比と、計算空燃比と、の差が所定値よりも大きい場合に酸化触媒３からＨＣが流出していると判断しているが、これに代えて、検出空燃比を計算空燃比で除した値が所定値よりも大きい場合に酸化触媒３からＨＣが流出していると判断してもよい。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 実施例における触媒の劣化判定フローを示したフローチャートである。 実施例における触媒の劣化判定フローを示した第２のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 酸化触媒
４ 燃料添加弁
５ 空燃比センサ
６ 吸気通路
７ エアフローメータ
８ ＥＣＵ
１１ 筒内燃料噴射弁

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化能力を有する触媒と、
   前記触媒よりも下流側の排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記触媒よりも上流の排気中へ燃料を添加する燃料添加手段と、
   前記燃料添加手段により燃料が添加されているときの排気の空燃比を推定する空燃比推定手段と、
   前記空燃比センサにより検出される空燃比と前記空燃比推定手段により推定される空燃比との比較値に基づいて前記触媒からＨＣが流出しているか否か判定するＨＣ流出判定手段と、
   を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比推定手段により推定される排気の空燃比がストイキよりも大きく且つ１６よりも小さいときにおける前記ＨＣ流出判定手段による判定結果に基づいて前記触媒の劣化判定を行う触媒劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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