JP2009197735A - 触媒の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な触媒劣化診断を実施する。
【解決手段】触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ化し、このリッチ化を行ったときの触媒における発熱量を計測し、この発熱量に基づいて触媒の劣化を検出する。触媒の劣化度に応じて発熱量に差が出るような所定の温度領域内Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈで発熱量を増加させるよう重み付けを行いつつ、発熱量を計測する。触媒の劣化度に応じた実際の発熱量の差が小さな差であっても、これを拡大ないし強調して大きな差として計測することができる。これによって触媒劣化診断をより正確に行うことが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化診断のための装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には排気ガスを浄化するための触媒が設置されている。この触媒が劣化すると排ガスエミッションが悪化してしまうことから、これを防止すべく触媒の劣化を診断することが行われている。特に自動車に搭載されたエンジンの場合、車載状態（オンボード）で触媒の劣化を診断することが各国法規等からも要請されている。

例えば特許文献１には、触媒の上下流排気温度と大気温度等より、触媒においてＨＣその他が反応して生じる発熱量を推定し、この発熱量が予め定めた判定値以下のとき触媒が劣化状態であると判定する装置が開示されている。

特開２００３−１０６１４０号公報

特許文献１に記載の装置では次のような原理を利用している。即ち、ＨＣ，ＣＯ等を触媒に供給すると触媒で発熱反応が起こり、触媒の温度が上昇する。そしてこのときの反応量及び発熱量は触媒の劣化度が大きいほど少ない。そこで触媒にＨＣ等を供給したときの発熱量を推定し、この発熱量が所定値以下のとき触媒が劣化と判定している。

ところで、この発熱量は、触媒に流入する排気ガスの温度が上昇し、これに伴って触媒温度即ち触媒床温が上昇するほど増大する傾向がある。そして発熱反応を開始することができる（活性開始となる）排気ガス温度或いは触媒温度は、触媒の劣化度が大きいほど高くなる傾向がある。よって、新品触媒の反応開始温度より若干高い温度領域内では、触媒の劣化度に応じて発熱量に差が出るようになる。従って当該温度領域内での発熱量を計測することで、触媒の劣化度を判断し、触媒が正常か劣化かを判断することができる。

しかし、当該温度領域は数十度程度の比較的狭い範囲の領域である。よって単にこの温度領域の発熱量を計測しても、触媒劣化度の判断や劣化診断を行うのに十分な明確な発熱量の差が得難く、劣化診断を正確に行うのが比較的困難である。また、加速時等の過渡運転時にあっては、当該温度領域を即座に過ぎ去ってしまうことも多く、この場合には特に劣化診断を正確に行うのが困難となる。

そこで、本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、正確な診断を行うことができる触媒の劣化診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する装置であって、
前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ化するためのリッチ化手段と、前記リッチ化手段によるリッチ化を行ったときの前記触媒における発熱量を計測し、この発熱量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備え、
前記劣化検出手段が、前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域内で発熱量を増加させるよう重み付けを行いつつ、前記発熱量を計測することを特徴とする触媒の劣化診断装置が提供される。

この本発明の一形態によれば、触媒の劣化度に応じて発熱量に差が出るような所定の温度領域内で発熱量を増加させるよう重み付けを行いつつ、発熱量を計測する。こうすると実際の発熱量としては小さな差であっても、これを拡大ないし強調して大きな差として計測することができる。これによって触媒劣化診断をより正確に行うことが可能となる。

好ましくは、前記劣化診断装置が、前記触媒に流入する排気ガスの温度である入ガス温度を検出する入ガス温度検出手段を備え、
前記劣化検出手段は、前記入ガス温度検出手段により検出された入ガス温度が、前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域内にあるとき、前記発熱量を増加させるよう重み付けを行う。

好ましくは、前記劣化検出手段は、前記重み付けの量を、前記入ガス温度検出手段により検出された入ガス温度に応じて設定する。

触媒の劣化度に応じた発熱量の差は入ガス温度に応じて変化する。よって、重み付けの量を、入ガス温度検出手段により検出された入ガス温度に応じて設定するのが好適である。

好ましくは、前記劣化検出手段は、前記入ガス温度が低いほど前記重み付けの量を大きく設定する。

触媒の劣化度が小さいほど、触媒の発熱反応開始温度が低くなる傾向にあり、よって入ガス温度が低いほど、触媒の劣化度に応じた発熱量の差が出やすくなる。よって、入ガス温度が低いほど重み付けの量を大きく設定するのが好適である。

好ましくは、前記劣化診断装置が、前記触媒に流入する排気ガスの流量を計測する排気流量計測手段を備え、
前記劣化検出手段は、前記重み付けの量を、前記排気流量計測手段により計測された排気流量にも応じて設定する。

排気流量が多いほど、リッチ化による発熱反応を生じさせる成分の流量が増し、触媒の劣化度に応じた発熱量の差が出やすくなる。よって、重み付けの量を、排気流量計測手段により計測された排気流量にも応じて設定するのが好適である。

好ましくは、前記リッチ化手段が、前記触媒の上流側の排気通路に設けられて排気ガス中に燃料を添加する燃料添加弁を含む。

好ましくは、前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域が、新品触媒が反応を開始するような触媒温度或いは入ガス温度以上で、且つ、劣化触媒において発熱量上昇率が触媒温度或いは入ガス温度の上昇につれ一旦最大値を迎えた後所定値以下となる触媒温度或いは入ガス温度以下の温度範囲に含まれる。

本発明によれば、正確な触媒の劣化診断を行うことができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ（燃料噴射弁）１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、本発明は他の形式の内燃機関、例えば火花点火式内燃機関にも適用可能である。ディーゼルエンジンの形態としては本実施形態のようなコモンレール式に限られない。またＥＧＲ装置などの他のデバイスを含むことも任意である。

エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

ターボチャージャ１９の下流側の排気通路１５には触媒３０が設置されている。本実施形態の触媒３０は、排気ガス中の未燃成分である炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）（特に炭化水素）を酸化して浄化する酸化触媒である。但し、本発明における触媒は酸化触媒に限定されず、排気空燃比をリッチ化させたときに発熱反応を生じさせて昇温するような触媒であればいかなる触媒であってもよい。典型的には、コート材に活性種としての貴金属が分散配置されている触媒を含む。例えば、三元触媒やＮＯｘ触媒であってもよいし、パティキュレートフィルタと一体化されたものであってもよい。なお、本実施形態において、触媒３０の下流側にＮＯｘ触媒を追加して設置するのが好ましい。ここでリッチ化とは、そのリッチ化直前の排気空燃比に対して排気空燃比をよりリッチ側に変化させることをいう。

エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、エンジン１０のクランク角を検出するクランク角センサ２６、及びアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２７が含まれる。ＥＣＵ１００はクランク角センサ２６の出力に基づきエンジン１０の回転速度を算出する。

また、ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類として、触媒３０の前後に排気温センサ４０，４２が設けられる。触媒前の排気温センサ４０は、触媒３０に流入する排気ガス（入ガス）の温度Ｔ１を検出するセンサであり、以下「入ガス温度センサ」という。また、触媒後の排気温センサ４２は、触媒３０から流出する排気ガス（出ガス）の温度Ｔ２を検出するセンサであり、以下「出ガス温度センサ」という。なお、入ガス温度センサ４０を省略し、代わりにＥＣＵ１００により、エンジン運転状態に基づいて入ガス温度を推定してもよい。例えば、エンジン回転速度及びアクセル開度と入ガス温度との関係をマップ又は関数の形式で予めＥＣＵ１００に記憶しておき、それらエンジン回転速度及びアクセル開度の実際の検出値からＥＣＵ１００により入ガス温度を推定することが可能である。

さらに、触媒３０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ化させるべく、触媒３０の上流側の排気通路１５には燃料添加弁５０が設けられている。燃料添加弁５０はＥＣＵ１００によりオンされたときに開弁し、排気ガス中に燃料を添加ないし噴射する。なお、このように燃料添加弁５０から燃料を別途添加するやり方の他に、インジェクタ１４から燃焼室１３に膨張行程後期又は排気行程で燃料を噴射する後噴射（ポスト噴射）を行う方法等が可能である。本実施形態のようなディーゼルエンジンの場合、排気空燃比は基本的に理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）より著しくリーン（Ａ／Ｆ＝２０〜２７程度）である。そして燃料添加が行われると、排気空燃比は理論空燃比若しくはそれよりリッチ側に変化させられる。但し、理論空燃比よりリーン側の範囲内でリッチ化を行ってもよい。

次に、触媒３０の劣化診断について説明する。

図２に、燃料添加を行ったときの出ガス温度Ｔ２（出ガス温度センサ４２の検出値）の変化の様子を示す。燃料添加弁５０による燃料添加が開始（燃料添加オン）されると、これに応じて出ガス温度Ｔ２が上昇し始める。（Ｂ）図の実線は正常触媒の場合、一点鎖線は劣化触媒の場合であり、見られるように、正常触媒の方が劣化触媒より出ガス温度の上昇度合いが大きい。本実施形態では、新品触媒の場合に出ガス温度を所定の目標昇温量（例えば２００℃）だけ上昇させるように、燃料が継続的に添加される。そして燃料は、単位時間当たりに一定の量で、最長で所定の最大累積添加量となるまで、添加される。燃料が添加されるにつれ出ガス温度Ｔ２はやがて一定値に収束する。そして燃料添加が終了（燃料添加オフ）すると、出ガス温度Ｔ２は次第に低下していき、最終的に燃料添加がないと仮定した場合の本来の温度に復帰する。

図中、燃料添加開始から出ガス温度復帰時までのハッチングで示す面積Ａ，Ｂが、それぞれ正常触媒及び劣化触媒の場合において、燃料添加に起因して生じた総熱量Ｈに相当する。この総熱量Ｈのうち、燃料添加期間中に生じた熱量は、添加燃料の反応（酸化発熱反応或いは燃焼）により直接的に発生した熱量Ｈ１であり、燃料添加終了後に生じた熱量は、その添加終了後に触媒の冷却過程で排気ガスによって触媒から持ち去られた熱量Ｈ２である（Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２）。発熱量Ｈ１が大きくなるほど総熱量Ｈ及び持ち去り熱量Ｈ２も大きくなる関係にあり、発熱量Ｈ１が触媒劣化度を表す中心的な値となる。図示の結果から、触媒の劣化度が大きいほど発熱量Ｈ１が小さくなることが分かる。

ところで、発熱量Ｈ１は、触媒劣化度以外に、入ガス温度Ｔ１ひいては触媒自体の温度（床温）Ｔｃによっても変化する。図３には、劣化度の異なる複数の触媒について、入ガス温度Ｔ１と発熱量Ｈ１との関係を調べた結果を示す。線図ａ〜ｅは、それぞれ順に劣化度が大きくなる異なる触媒の場合を示す。なお線図ａは新品触媒の場合、線図ｂ〜ｄは交換を必要とするまでは劣化していない正常触媒の場合、線図ｅは交換が必要なほど劣化している劣化触媒の場合である。見られるように、発熱量Ｈ１は概して入ガス温度Ｔ１が高いほど（即ち触媒温度Ｔｃが高いほど）大きくなる傾向にある。これは高温であるほど触媒での反応が活発化するからである。そして発熱量Ｈ１は、触媒での反応（活性化）が開始するような入ガス温度及び触媒温度（このような触媒温度を触媒ライトオフ温度という）から上昇し始め、以降入ガス温度が高まるにつれ次第に上昇し、入ガス温度がある一定値以上となるとある上限値に収束する。図示の結果から、以下の特性が同時に現れていることが分かる。
（１）触媒の劣化が進むほど、触媒反応が低下するので、発熱量Ｈ１の上限値は低下する（図中Ｉ参照）。
（２）触媒の劣化が進むほど、発熱量Ｈ１が上昇するときの勾配が緩やかになる（図中ＩＩ参照）。
（３）触媒の劣化が進むほど、触媒の反応開始温度が高温側に移動し、発熱量Ｈ１の上昇開始点が高温側に移動する（図中ＩＩＩ参照）。

特に図示の結果によれば、新品触媒が反応を開始する入ガス温度Ｔ１ａ０より若干高い入ガス温度領域（例えば、図中Ｔ１Ｌ≦Ｔ１≦Ｔ１Ｈとなる領域）内で、触媒劣化度に応じた発熱量の差が出やすくなる。従って当該温度領域内での発熱量Ｈ１を計測することで、この発熱量Ｈ１に基づき、触媒の劣化度を判断し、触媒が正常か劣化かを判断することができる。

ここで、触媒劣化度に応じて発熱量に差が出るような温度領域は、実験結果等に応じて任意に定め得るが、例えば図３の結果に照らして次のように定めることができる。まず当該温度領域の低温側の開始点は、新品触媒（線図ａ）が反応を開始するような触媒温度或いは入ガス温度Ｔ１ａ０、或いはそれより高い温度に定めることができる。また、当該温度領域の高温側の終了点は、劣化触媒（線図ｅ）において、発熱量が上限値に収束し始める付近の触媒温度或いは入ガス温度Ｔ１ｅ０、或いはそれより低い温度に定めることができる。ここで触媒温度或いは入ガス温度の微小な上昇量に対する発熱量の上昇量の比を発熱量上昇率とする。この発熱量上昇率は線図の傾きに相当する。この場合、当該温度領域の終了点は、触媒温度或いは入ガス温度の上昇につれ発熱量上昇率が一旦最大値を迎えた後（最大値相当の点をｐで示す）、所定値以下となったときの触媒温度或いは入ガス温度Ｔ１ｅ０、或いはそれより低い温度ということができる。要するに入ガス温度Ｔ１について言うと、Ｔ１ａ０≦Ｔ１≦Ｔ１ｅ０を当該温度領域の最大範囲とすることができ、この最大範囲の中で当該温度領域を任意に定めることができる。前述のＴ１Ｌ≦Ｔ１≦Ｔ１Ｈなる領域もこの最大範囲に含まれる。

ところで、前述したように、当該温度領域は数十度程度の比較的狭い範囲の領域である（例えば２２０〜２７０℃）。よって単にこの温度領域内での発熱量Ｈ１を計測しても、劣化診断に十分な程に明確な発熱量の差を得難く、劣化診断を正確に行うのが困難である。また、加速時等の過渡運転時にあっては、当該温度領域を即座に過ぎ去ってしまうことも多く、言い換えれば当該温度領域内となっている時間が短いことも多く、この場合には特に劣化診断を正確に行うのが困難である。さらに排気温センサ４０，４２の誤差や応答遅れ等をも考慮すると、狭い温度領域内では大きな発熱量Ｈ１の差を得るのが本来的に困難である。

そこで、本実施形態では、当該温度領域内で発熱量を増加させるよう重み付けを行いつつ、発熱量を計測する。こうすると実際の発熱量としては小さな差であってもこれを拡大ないし強調して大きな差として計測でき、これによって触媒劣化診断をより正確に行うことが可能となる。

図４には、エンジンの過渡運転時（特に加速時）に燃料添加を行ったときの試験結果を示す。（Ａ）が入ガス温度Ｔ１（入ガス温度センサ４０の検出値）、（Ｂ）が触媒温度（床温）Ｔｃ、（Ｃ）が出ガス温度Ｔ２（出ガス温度センサ４２の検出値）である。触媒温度Ｔｃについては図示しない温度センサで実験的に検出した値を示す。実線が正常触媒の場合、一点鎖線が劣化触媒の場合であり、両触媒についてほぼ同一条件の下で試験が行われている。ここで正常触媒とは交換の必要のない、劣化度の小さい触媒のことをいい、例えば新品触媒である。また劣化触媒とは交換が必要な、劣化度の大きい触媒のことをいう。燃料添加開始時期は、正常触媒の場合及び劣化触媒の場合ともに時刻ｔ０であり、燃料添加終了時期は、正常触媒の場合時刻ｔ３、劣化触媒の場合時刻ｔ３’である。これら燃料添加終了時期ｔ３，ｔ３’は微妙にずれているが、実際上の影響は無視できる程度である。燃料添加開始時期ｔ０における入ガス温度Ｔ１及び触媒温度Ｔｃは、正常触媒及び劣化触媒ともに、まだ反応が開始できないような未活性の温度であり、この時ｔ０から加速を行い、且つ燃料添加を行うことで、各温度が上昇していく。燃料添加については、新品触媒の場合に出ガス温度を所定温度（例えば２００℃）上昇させるように、燃料が継続的に添加される。そして燃料は、単位時間当たりに一定の量で所定の累積添加量となるまで添加される。（Ｂ）及び（Ｃ）において破線で示すのは、正常触媒の場合に燃料添加がないと仮定した場合の触媒温度及び出ガス温度の推定値Ｔｃｅ、Ｔ２ｅである。

時刻ｔ０において、過渡運転と燃料添加を同時に開始すると、入ガス温度Ｔ１が次第に上昇し、これに伴って触媒温度Ｔｃ及び出ガス温度Ｔ２が上昇する。その後時刻ｔ１から、正常触媒と劣化触媒との間で触媒温度Ｔｃの上昇速度が相違し始め、両者の触媒温度Ｔｃが乖離し始める。この直後、まず正常触媒において発熱反応が開始し、正常触媒の触媒温度の実際の検出値Ｔｃがその推定値Ｔｃｅから乖離し始める。その後時刻ｔ２から、劣化触媒において発熱反応が開始し、その触媒温度Ｔｃの上昇速度が増加する。正常触媒及び劣化触媒の場合ともに、燃料添加終了時期ｔ３、ｔ３’直前では、触媒温度Ｔｃが既に上限値に収束しており、燃料添加終了時期ｔ３、ｔ３’以降、触媒温度Ｔｃは次第に低下していき、最終的に燃料添加がないと仮定した場合の本来の温度に復帰する。正常触媒の復帰時期をｔ４で示す。なおこうした触媒温度Ｔｃの一連の変化に追従するようにして出ガス温度Ｔ２も変化する。特に出ガス温度Ｔ２は、過渡運転時であること及び出ガス温度センサ４２の応答遅れがあることから、触媒温度Ｔｃに対して比較的顕著に遅れている。

特に、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間が、正常触媒と劣化触媒とで発熱量Ｈ１に差が出る期間であるとみなすことができる。そしてこの期間ｔ１〜ｔ２に対応する入ガス温度領域Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈが、正常触媒と劣化触媒とで発熱量Ｈ１に差が出る温度領域であるとみなすことができる。よってかかる入ガス温度領域Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈを予め実験的に把握しておき、当該入ガス温度領域内となったときに発熱量を増加させるよう重み付けを行う。過渡運転時の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は１０〜３０秒程度の比較的短い期間であり、この期間に対応した入ガス温度領域Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈも５０℃程度の比較的少ない温度幅である。よってこの期間ないし温度領域で発熱量を計測しても正常触媒と劣化触媒との間で差が出づらいが、かかる重み付けを行うとその差を拡大して明確化できる。よってかかる重み付けを行うことで、定常運転時は勿論のこと、たとえ過渡運転時（特に加速時）であっても、触媒劣化度の判断や劣化診断を正確に行うことができる。

なお、ここでの入ガス温度領域開始点Ｔ１Ｌは正常触媒（例えば新品触媒）の活性開始温度にほぼ等しく、入ガス温度領域終了点Ｔ１Ｈは劣化触媒の活性開始温度にほぼ等しい。

次に、図５を参照して、ＥＣＵ１００により実行される劣化診断処理の手順を示す。

まずステップＳ１０１では、診断実行フラグがオンになっているか否かが判断される。診断実行フラグは、劣化診断処理をするのに適した条件が全て満たされたときにオンとなる。例えば、１）エンジンの冷却水温が所定値以上であること（即ちエンジンが暖機後であること）、２）入ガス温度センサ４０で検出された実際の入ガス温度Ｔ１が所定の温度範囲内にあること（即ち入ガス温度Ｔ１が極端に低温又は高温でないこと）、３）出ガス温度センサ４２で検出された実際の出ガス温度Ｔ２が所定の温度範囲内にあること（即ち出ガス温度Ｔ２が極端に低温又は高温でないこと）、の全ての条件を満たしたとき、診断実行フラグがオンになる。ここで、診断実行フラグがオンになる条件には、エンジンが定常運転状態であることを含まない。よってエンジンの運転状態に特に制限はなく、定常運転時のみならず加速等の過渡運転時であっても診断が実行可能である。

診断実行フラグがオンでないとき（オフのとき）には待機状態となり、ステップＳ１０１が繰り返し実行され、診断実行フラグがオンになったときには、ステップＳ１０２において単位時間当たり熱量ΔＨ（詳しくは後述）と総熱量Ｈがゼロに初期化され、次いでステップＳ１０３において燃料添加弁５０による燃料添加が開始される。

次のステップＳ１０４では、検出値としての出ガス温度Ｔ２の取得と、推定値としての出ガス温度Ｔ２ｅの算出と、これらの差である出ガス昇温量ΔＴ２の算出と、単位時間当たり熱量ΔＨとの算出が開始される。これら取得及び算出は所定の演算周期τ毎に行われる。

推定出ガス温度Ｔ２ｅとは、図４（Ｃ）に示すように、燃料添加がないと仮定した場合の出ガス温度Ｔ２ｅの推定値のことである。推定出ガス温度Ｔ２ｅは、例えば、入ガス温度センサ４０で検出された入ガス温度Ｔ１に基づき、Ｔ２ｅ＝ｆ（Ｔ１）なる関数式から算出することができる。関数ｆは入ガス温度Ｔ１に基づいて出ガス温度Ｔ２ｅを推定するための触媒通過モデルを表す関数である。例えばｆのラプラス変換をＦとし、Ｆ（ｓ）＝ｋｅ^-Ls／（１＋Ｔｓ）なる一次遅れ伝達関数（但しｋ：ゲイン、Ｔ：時定数、Ｌ：むだ時間）を用いて当該モデルを表現することができる。なお推定方法はこの例に限られない。

出ガス昇温量ΔＴは、図４（Ｃ）に示すように、出ガス温度センサ４２により検出された出ガス温度Ｔ２と推定出ガス温度Ｔ２ｅとの差であり、式：ΔＴ２＝Ｔ２−Ｔ２ｅにより算出される。単位時間当たり熱量ΔＨは、燃料添加に起因して単位時間（本実施形態では演算周期τに等しい）当たりに得られる熱量であり、出ガス昇温量ΔＴ２と、排気ガス流量の代用値或いは推定値である吸入空気流量Ｇａと、排気ガス比熱γとの積からなる（ΔＨ＝ΔＴ２×Ｇａ×γ）。吸入空気流量Ｇａはエアフローメータ２２で検出される値であり、エアフローメータ２２は、触媒３０を通過する排気ガスの流量を計測（検出又は推定）する排気流量計測手段を構成する。排気ガス比熱γは例えば実験的に求められた定数とすることができる。

次のステップＳ１０５では、総熱量Ｈの計測、算出が開始される。なお当該劣化診断においては基本的には燃料添加中の発熱量Ｈ１の大きさを評価すればよいが、本実施形態では、当該発熱量Ｈ１に加えて燃料添加後の持ち去り熱量Ｈ２をも含む総熱量Ｈを評価することにより、劣化診断を行う。但し発熱量Ｈ１のみを評価して劣化診断を行うことも可能である。総熱量Ｈの算出も所定の演算周期τ毎に行われる。

総熱量Ｈは、単位時間当たり熱量ΔＨと重み係数αの積を、周期τ毎に順次積算していくことで計測、算出される。また積算は、燃料添加開始時点ｔ０から開始され、出ガス温度Ｔ２が推定出ガス温度Ｔ２ｅ付近に復帰する時点ｔ４まで、行われる（図４（Ｃ）参照）。なお発熱量Ｈ１のみを用いる場合は、燃料添加開始時点ｔ０から燃料添加終了時点ｔ３まで積算を行えばよい。結局、総熱量Ｈは次式（１）で表すことができる。

ここで、総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１に対する重み付けは、単位時間当たり熱量ΔＨに重み係数αを乗じることで行われる。この重み係数αが重み付けの量を表す。但し重み付けは他の方法、例えば重み量を加算することなどによって行ってもよい。重み係数αは、図６〜図８に示すような、予め実験的に定められたマップ（関数でもよい）を用いて設定される。

図６には入ガス温度Ｔ１と重み係数αの関係を規定したマップを示す。図示するように、重み係数αは、正常触媒と劣化触媒とで発熱量Ｈ１に差が出る入ガス温度領域内Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈで、基準値α０（例えば１）より大きな値に設定されている。即ち重み係数αは、Ｔ１＜Ｔ１Ｌ又はＴ１Ｈ＜Ｔ１のときα０であり、Ｔ１＝Ｔ１Ｌのときα０より著しく大きい所定値α２であり、Ｔ１ＬからＴ１が増加するにつれ徐々に減少し、Ｔ１＝Ｔ１Ｌのとき基準値α０よりやや大きい所定値α１である。これから分かるように、Ｔ１Ｌより低い入ガス温度Ｔ１の状態から加速及び燃料添加を開始し、入ガス温度Ｔ１が上昇していくと、総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１の計測過程で、入ガス温度Ｔ１が低温側の境界値Ｔ１Ｌに達した時点で最大の重み係数α２が得られ、結果的に総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１が急増される。そして入ガス温度Ｔ１が低温側境界値Ｔ１Ｌより高くなると重み係数はα２より徐々に小さくなるが、それでも入ガス温度Ｔ１が高温側境界値Ｔ１Ｈに達するまでは、基準値α０より大きな重み係数が得られ、重み付けがなされない場合（α＝１の場合）に比べ総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１が増加させられる。こうして入ガス温度Ｔ１がＴ１Ｌ≦Ｔ１≦Ｔ１Ｈの範囲内にある場合は、重み付けがなされない場合に比べ、総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１が増加させられることになる。

また本実施形態では、入ガス温度Ｔ１に加え、排気流量に応じても重み付けを行うようにしている。排気流量が多いほど添加燃料の流量が増し、正常触媒と劣化触媒とで総熱量Ｈないし発熱量Ｈ１の差が出やすいからである。図７には、排気流量の代用値である吸入空気流量Ｇａと重み係数αの関係を規定したマップを示す。図示するように、重み係数αは、吸入空気流量Ｇａが最小値のとき基準値α０であり、吸入空気流量Ｇａが最小値から増加するにつれ増加するように設定されている。なお、図８には、図６及び図７の関係を一つにまとめたマップを示す。

さて、図５に戻って、ステップＳ１０５の次はステップＳ１０６に進み、添加終了フラグがオンになったか否かが判断される。添加終了フラグは、例えば、燃料添加開始時点ｔ０から演算周期τ毎に積算される燃料添加量が所定値に達した時にオンとなる。添加終了フラグがオンでないとき（オフのとき）には待機状態となり、ステップＳ１０６が繰り返し実行され、添加終了フラグがオンになったときには、ステップＳ１０７において燃料添加が終了される。

次に、ステップＳ１０８において、出ガス昇温量ΔＴ２が所定値ΔＴ２ｓと比較される。所定値ΔＴ２ｓとしてはゼロ又はそれより僅かに大きい値が設定されている。ここでは燃料添加終了に伴って出ガス温度Ｔ２が下降し、推定出ガス温度Ｔ２ｅ又はその付近に復帰したか否か、即ち燃料添加に起因する発熱反応の影響が無くなったか否かが実質的に判断されている。

ステップＳ１０８において、ΔＴ２≧ΔＴ２ｓと判断されたときには待機状態となり、ステップＳ１０８が繰り返し実行され、他方ΔＴ２＜ΔＴ２ｓと判断されたときには、ステップＳ１０９に進んで、総熱量Ｈの計測、算出が終了される。

次に、ステップＳ１１０において、総熱量Ｈが所定値Ｈｓと比較される。所定値Ｈｓとしては劣化触媒相当の比較的小さい値が設定されている。Ｈ＞Ｈｓの場合、ステップＳ１１１にて触媒３０は正常と判定され、他方Ｈ≦Ｈｓの場合、ステップＳ１１２にて触媒３０は劣化と判定される。なお触媒劣化と判定されたときにはその事実をユーザに知らせるため、チェックランプ等の警告装置が作動させられる。以上で診断処理が終了する。

このように本実施形態では、触媒３０の劣化度に応じて発熱量Ｈ１に差が出るような所定の温度領域内（入ガス温度Ｔ１の所定の温度領域内）で発熱量Ｈ１を増加させるよう重み付けを行いつつ、発熱量を計測するので、当該温度領域が比較的狭く、加速等の過渡運転時に当該温度領域を即座に過ぎ去ってしまうような場合にも、正確な劣化診断を行うことが容易に可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態では触媒温度Ｔｃを直接検出する手段（例えば触媒温度センサ）が無いため、その代わりに出ガス温度Ｔ２の検出値を用いて発熱量Ｈ１や総熱量Ｈを計測したが、触媒温度Ｔｃを直接検出する手段がある場合には、その触媒温度Ｔｃの検出値を直接用いて発熱量Ｈ１や総熱量Ｈを計測してもよい。この場合、触媒の劣化度に応じて発熱量に差が出るような所定の温度領域内とは、触媒温度の所定の温度領域内を意味することになる。また前記実施形態では、正常触媒と劣化触媒との間における触媒温度Ｔｃの乖離開始点ｔ１に対応する入ガス温度Ｔ１Ｌと、劣化触媒における反応開始点ｔ２に対応する入ガス温度Ｔ１Ｈとの間の入ガス温度領域内で、発熱量Ｈ１を増加させるよう重み付けを行ったが、かかる重み付けを行う温度領域の設定の仕方は任意であり、実験結果等に基づき適宜定めることができる。例えば、当該温度領域の高温側境界値を、劣化触媒反応開始点ｔ２に対応する入ガス温度Ｔ１Ｈ或いは触媒温度Ｔｃよりやや高温側に設定してもよいし、温度領域自体を、正常触媒と劣化触媒との間で出ガス温度Ｔ２に差が出るような温度領域に設定してもよい。前記実施形態では重み係数αを、入ガス温度領域Ｔ１Ｌ〜Ｔ１Ｈのときα０＝１より大きい値に設定し、それ以外の入ガス温度領域のときα０＝１に設定した（つまり重み付け無し）が、これに限らず、前者のときの方が後者のときより大きく重み付けがされていれば値は任意である。本発明は燃料添加弁５０により燃料添加して排気空燃比をリッチ化する場合のみならず、ポスト噴射等により排気空燃比をリッチ化する場合にも適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 燃料添加を行ったときの出ガス温度の変化の様子を示すグラフである。 触媒劣化度に応じた入ガス温度と発熱量との関係を示すグラフである。 エンジンの過渡運転時に燃料添加を行ったときの各値の変化を示すタイムチャートである。 劣化診断処理のフローチャートである。 入ガス温度と重み係数の関係を規定したマップを示す。 吸入空気流量と重み係数の関係を規定したマップを示す。 図６及び図７の関係を一つにまとめたマップを示す。

符号の説明

１０ エンジン
１５ 排気通路
３０ 触媒
４０ 入ガス温度センサ
４２ 出ガス温度センサ
５０ 燃料添加弁
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｔ１ 入ガス温度
Ｔ１Ｌ 低温側境界値
Ｔ１Ｈ 高温側境界値
Ｔ２ 出ガス温度
ΔＴ２ 出ガス昇温量
ΔＨ 単位時間当たり熱量
Ｈ 総熱量
Ｈ１ 発熱量
Ｈ２ 持ち去り熱量
α 重み係数

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒の劣化を診断する装置であって、
   前記触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ化するためのリッチ化手段と、前記リッチ化手段によるリッチ化を行ったときの前記触媒における発熱量を計測し、この発熱量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備え、
   前記劣化検出手段が、前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域内で発熱量を増加させるよう重み付けを行いつつ、前記発熱量を計測する
   ことを特徴とする触媒の劣化診断装置。
2. 前記触媒に流入する排気ガスの温度である入ガス温度を検出する入ガス温度検出手段を備え、
   前記劣化検出手段は、前記入ガス温度検出手段により検出された入ガス温度が、前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域内にあるとき、前記発熱量を増加させるよう重み付けを行う
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒の劣化診断装置。
3. 前記劣化検出手段は、前記重み付けの量を、前記入ガス温度検出手段により検出された入ガス温度に応じて設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の触媒の劣化診断装置。
4. 前記劣化検出手段は、前記入ガス温度が低いほど前記重み付けの量を大きく設定する
   ことを特徴とする請求項３記載の触媒の劣化診断装置。
5. 前記触媒に流入する排気ガスの流量を計測する排気流量計測手段を備え、
   前記劣化検出手段は、前記重み付けの量を、前記排気流量計測手段により計測された排気流量にも応じて設定する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の触媒の劣化診断装置。
6. 前記リッチ化手段が、前記触媒の上流側の排気通路に設けられて排気ガス中に燃料を添加する燃料添加弁を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の触媒の劣化診断装置。
7. 前記触媒の劣化度に応じて前記発熱量に差が出るような所定の温度領域が、新品触媒が反応を開始するような触媒温度或いは入ガス温度以上で、且つ、劣化触媒において発熱量上昇率が触媒温度或いは入ガス温度の上昇につれ一旦最大値を迎えた後所定値以下となる触媒温度或いは入ガス温度以下の温度範囲に含まれる
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の触媒の劣化診断装置。

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