JP2010001857A - 内燃機関の触媒劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストかつ信頼性の高い触媒劣化判定装置を提供する。
【解決手段】排気空燃比をリーンから一時的にリッチに切り換えて（Ｓ２０）、ＮＯｘ吸蔵触媒より上流側の排気温度Ｔ1から推定したＮＯｘ吸蔵触媒通過後の排気温度Ｔ2estと、触媒後排気温度センサにより検出した実排気温度Ｔ2との差に基づいて、ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化状態を判定する（Ｓ３０〜Ｓ１００）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の触媒劣化判定装置に係り、詳しくは、内燃機関の排気浄化触媒の劣化状態を判定する技術に関する。

内燃機関（エンジン）の排気通路に、排気浄化装置としてＮＯx吸蔵触媒を備えたものがある。ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵し、リッチ雰囲気下でＮＯｘを還元除去する機能を有する。このＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が変動しても吸蔵及び還元能力を安定して発揮できるように、通常、酸素を吸蔵する酸素ストレージ機能を有している。

ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒は、経時使用に伴って、例えば排気中の硫黄成分によって被毒し徐々に劣化する。そこで、ＮＯｘ吸蔵触媒が劣化状態であるか否かを判定し、劣化状態である場合にパージ処理を行うことで、ＮＯｘ吸蔵触媒に蓄積した硫黄等を除去して、ＮＯｘ吸蔵触媒を再生している。硫黄被毒再生のパージ処理は高温雰囲気で行われるため、長期に亘る使用においては、触媒は熱負荷によって、パージ処理では回復不可能に劣化する。

ＮＯｘ吸蔵触媒等の排気浄化触媒の劣化状態を判定する方法として、上記酸素ストレージ機能を利用した方法が知られている。詳しくは、熱負荷等により排気浄化触媒が劣化すると酸素ストレージ能力も低下することから、酸素ストレージ能力を推定することで、排気浄化触媒の劣化状態を判定する。酸素ストレージ能力の推定方法としては、排気浄化触媒の前後に空燃比センサを設け、排気空燃比をリーンから一次的にリッチに切り換え、そのときの排気浄化触媒の前後での空燃比の切り換わりの時間差を計測することで推定する方法が知られている（特許文献１）。
特許第２８１２０２３号公報

しかしながら、特許文献１のような酸素ストレージ能力の推定による劣化状態判定方法では、比較的高価な空燃比センサを２個必要とするので、コスト増加を招いてしまう。また、空燃比センサは、排気中に含まれる水分やすすが空燃比センサに付着した場合、検出精度が低下し易く、よって劣化状態を誤判定してしまう虞がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、低コストかつ信頼性の高い内燃機関の触媒劣化判定装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた酸素吸蔵機能を有する排気浄化触媒の触媒劣化判定装置であって、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチとリーンとの間で切り換える排気空燃比切換手段と、排気浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気温度を検出する触媒前排気温度検出手段と、触媒前排気温度検出手段により検出された排気浄化触媒の上流側の排気温度と内燃機関の運転状況とに基づいて、排気浄化触媒の下流側の排気温度を推定する触媒後排気温度推定手段と、排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気温度を検出する触媒後排気温度検出手段と、排気空燃比切換手段により排気空燃比をリーンから一時的にリッチに切り換えて、触媒後排気温度検出手段により検出された実排気温度と触媒後排気温度推定手段により推定された推定排気温度との差に基づいて排気浄化触媒の劣化状態を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、判定手段は、排気空燃比のリッチへの切り換え時間内における実排気温度と推定排気温度との差を積算し、該積算した値を切り換え時間内に排気浄化触媒を通過した排気流量の積算値で除算した値に基づいて排気浄化触媒の劣化状態を判定することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１または２において、排気浄化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段を備え、判定手段は、触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定の温度である場合に排気浄化触媒の劣化状態の判定を行うことを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１または２において、判定手段は、触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、排気浄化触媒が劣化状態であるか否かを判別するための閾値を変更することを特徴とする。
また、請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれかにおいて、排気浄化触媒の下流側の排気通路に排気空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、判定手段は、空燃比検出手段により検出された排気空燃比がリッチである場合に排気浄化触媒の劣化状態を判定することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の触媒劣化判定装置によれば、排気の空燃比をリーンから一時的にリッチに切り換えることで、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素と排気中の燃料とが反応して排気温度が上昇する。そして、排気浄化触媒の上流側の排気温度から推定した下流側の推定排気温度と排気浄化触媒の下流側の実排気温度との差により、排気浄化触媒に吸蔵された酸素量が推定される。排気浄化触媒に吸蔵された酸素量は触媒の劣化とともに減少することから、このように酸素量を推定することで触媒の劣化を判定することができる。本発明では、以上のように触媒の前後の排気温度に基づいて触媒の劣化が判定されるので、空燃比センサを用いる方法より安価であり、かつ被水や被すすの影響の少ない温度検出手段を用いた低コストかつ信頼性の高い触媒劣化判定が可能となる。

また、本発明の請求項２の内燃機関の触媒劣化判定装置によれば、排気空燃比のリッチへの切り換え時間内における実排気温度と推定排気温度との差を積算し、排気流量の総量で除算することで、排気空燃比の切り換えによる排気浄化触媒での発熱量を正確に求めることができる。よって、排気浄化触媒に吸蔵されている酸素量が正確に推定され、触媒の劣化状態を正確に判定することができる。

また、本発明の請求項３の内燃機関の触媒劣化判定装置によれば、排気浄化触媒に吸蔵される酸素量は触媒の温度、活性状態であるか否かによって影響されることに鑑み、触媒温度が所定の活性温度である場合に排気浄化触媒の劣化状態の判定を行うことで、触媒温度の変動に影響され難い安定した劣化状態の判定を行うことができる。
また、本発明の請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒温度に基づいて、排気浄化触媒が劣化状態であるか否かを判別するための閾値を変更することで、触媒温度に対応した正確な劣化状態の判定を行うことができる。

また、本発明の請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気空燃比がリッチである場合に劣化状態を判定することで、排気中の酸素と燃料との反応による排気浄化触媒での熱の発生が抑制されるので、排気浄化触媒において発生する熱量から酸素吸蔵量を正確に推定することができ、よって排気浄化触媒の劣化状態をより正確に判定することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の触媒劣化判定装置が適用された車両のディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排気系の概略構成図である。
エンジン１の排気通路である排気管２には、排気浄化触媒としてＮＯｘ吸蔵触媒３が介装されている。ＮＯｘ吸蔵触媒３は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯｘ吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯｘを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯｘを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＮＯｘ吸蔵触媒３の上流側には、ＮＯｘ吸蔵触媒３に流入する排気の温度を検出する触媒前排気温度センサ４が設けられている。ＮＯｘ吸蔵触媒３の下流側には、ＮＯｘ吸蔵触媒３から排出された排気の温度を検出する触媒後排気温度センサ５が設けられている。
ＥＣＵ１０（電子コントロールユニット）は、エンジン１等の制御を行うよう構成され、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

ＥＣＵ１０の入力側には、車速センサ１１、エンジン回転速度センサ１２、アクセルポジションセンサ１３や図示しないエアフローセンサ等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
ＥＣＵ１０の出力側には、筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１４や、図示しないスロットル弁等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ１０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、吸入空気量等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングでスロットル弁が開閉操作され、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射される。

ＥＣＵ１０は、更に、排気の空燃比が一時的にリーンからリッチに切り換わるように、燃料噴射弁１４による燃料噴射量を制御する空燃比切換手段（空燃比切換機能）を備えている。
また、本実施形態のＥＣＵ１０は、上述の触媒前排気温度センサ４、触媒後排気温度センサ５、車速センサ１１、エンジン回転速度センサ１２、アクセルポジションセンサ１３、外気温度を検出する外気温度センサ１５からの検出情報に基づいて、ＮＯｘ吸蔵触媒３が劣化しているか否かを判定するＮＯｘ吸蔵触媒劣化判定機能が備えられている（判定手段）。

図２は、ＥＣＵ１０におけるＮＯｘ吸蔵触媒３の劣化判定要領を示すフローチャートである。本ルーチンは、ＮＯｘ吸蔵触媒３の劣化判定必要時に、例えば所定期間間隔をおいて実行される。
先ず、図２に示すように、ステップＳ１０では、ＮＯｘ吸蔵触媒３の酸素ストレージ能力の限界まで酸素が吸蔵されるように、排気空燃比がリーンとなる状態を所定時間継続させる。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、排気空燃比がリーンから所定時間リッチになるように空燃比切換手段による制御を開始する。この所定時間は、ＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵された酸素が全て確実に消費されるような時間に設定すればよい。そして、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、触媒前排気温度センサ４から触媒前排気温度Ｔ1を入力し、この触媒前排気温度Ｔ1に基づいて、次式（１）によりＮＯｘ吸蔵触媒３の下流側の推定触媒後排気温度Ｔ2estを算出する。

Ｔ2est＝Ｔ1＋Ｑhr＋Ｑloss・・・（１）
上記（１）式において、Ｑhrは、ＮＯｘ吸蔵触媒３における通常発熱量であり（酸素吸蔵量が０である場合の発熱量に相当する。）、エンジン１の運転状態及び排気温度等から演算される。エンジン１の運転状態としては、エンジン回転速度センサ１２により検出されたエンジン回転速度、アクセルポジションセンサ１３により検出されたアクセル開度が用いられ、これらの情報に基づいて、あらかじめ設定しておいたマップから読み出して求めればよい。Ｑlossは、ＮＯｘ吸蔵触媒３の上流側から下流側へ移動する際の排気の熱損失であり、車速センサ１１により検出された車速及び外気温度センサ１５から検出した外気温に基づいて演算される。また、触媒前排気温度Ｔ1に対しては、フィルタリングをするとともに、ＮＯｘ吸蔵触媒３の上流側から下流側への熱伝達の遅れを考慮して補正するとよい。そして、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、触媒後排気温度センサ５から触媒後排気温度Ｔ2を入力し、ステップＳ２０において演算した推定排気温度Ｔ2estとの温度差（Ｔ2−Ｔ2est）を積算する。そして、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、排気流量Ｑeを積算する。排気流量Ｑeは例えばエアフローセンサにより検出された吸入空気量及びエンジン回転速度センサ１２により検出されたエンジン回転速度、アクセルポジションセンサ１３により検出されたアクセル開度に基づいて演算すればよい。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、ステップＳ２０において開始した一時的なリッチ切り換えが終了したか否かを判別する。終了した場合は、ステップＳ７０に進む。終了していない場合は、ステップＳ３０に戻る。
ステップＳ７０では、ステップＳ４０において演算した排気温度の積算値Σ（Ｔ2−Ｔ2est）と、ステップ５０において演算した排気流量の積算値ΣＱeを用いて、ＮＯｘ吸蔵触媒における発熱量Ｑlr（１回のリッチ切り換えにおける発熱量の総量）を、次式（２）により演算する。

Ｑlr＝Σ（Ｔ2−Ｔ2est）／ΣＱe・・・（２）
そして、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、ステップＳ７０において演算した発熱量Ｑlrに基づいて、ＮＯｘ吸蔵触媒３における酸素吸蔵量Ｑoを推定する。酸素吸蔵量Ｑoは発熱量Ｑlrと相関関係にあり、あらかじめ実験等により確認して作成したマップを用いて求めたり、発熱量Ｑlrを酸素吸蔵量Ｑoの指標としてそのまま用いたりしてもよい。そして、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、ＮＯｘ吸蔵触媒劣化判定用の閾値である酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1を演算する。酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1は、ＮＯｘ吸蔵触媒３の触媒温度に応じて設定され、例えば触媒前排気温度Ｔ1及び触媒後排気温度Ｔ2の平均値に基づいて設定したり、簡易的に触媒後排気温度Ｔ2に基づいて設定したりすればよい（触媒温度検出手段）。そして、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ１００では、ステップＳ８０において演算した酸素吸蔵量ＱoがステップＳ９０において演算した酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1より少ないか否かを判別する。酸素吸蔵量Ｑoが酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1より少ない場合は、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、ＮＯｘ吸蔵触触媒３が劣化していると判定する。そして、本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１００において、酸素吸蔵量Ｑoが酸素吸蔵量閾値Ｑo1以上であると判定した場合は、ステップＳ１２０に進む。
ステップＳ１２０では、ＮＯｘ吸蔵触媒３が劣化していないと判定する。そして、本ルーチンを終了する。
図３は、上記制御による触媒後排気空燃比及び触媒後排気温度の推移を示すタイムチャートである。以下、図３を用いて、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、リーン運転をしてＮＯｘ吸蔵触媒３に最大限酸素を吸蔵させた後、一時的に排気空燃比をリッチにする。すると、図３に示すように、ＮＯｘ吸蔵触媒３通過後の排気温度Ｔ2が上昇し、その上昇量は、新品に対して劣化品の方が少ない。このような排気温度Ｔ2の上昇は、排気空燃比をリッチにしている間の排気中の燃料がＮＯｘ吸蔵触媒３に吸蔵されている酸素と反応するためであり、その上昇量はあらかじめ吸蔵した酸素量と比例する。本実施形態では、この一時的にリッチにしている期間におけるＮＯｘ吸蔵触媒３の触媒前排気温度Ｔ1から推定した推定触媒後排気温度Ｔ2estとの差の積算値Σ（Ｔ2−Ｔ2est）と排気流量の積算値ΣＱeとを求め、この温度差の積算値Σ（Ｔ2−Ｔ2est）を排気流量の積算値ΣＱeで除算することで、ＮＯｘ吸蔵触媒３における発熱量Ｑlrが演算され、ＮＯｘ吸蔵触媒３における酸素吸蔵量が推定される。そして、この推定された酸素吸蔵量が、閾値である酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1より低い場合に、ＮＯｘ吸蔵触媒３が劣化していると判定される。このようにして、ＮＯｘ吸蔵触媒３の劣化が正確に判定され、ＮＯｘ吸蔵触媒３に対して再生や交換等の適切な対処が可能となり、排気浄化性能を常に良好な状態に維持させることができる。

図４は、発熱量Ｑlrと触媒劣化状態との関係を示すグラフである。図４に示すように、発熱量Ｑlrが少なくなるに連れてＮＯｘ吸蔵触媒３が劣化していることが伺える。本実施形態では、発熱量Ｑlrから酸素吸蔵量Ｑoを推定し、この酸素吸蔵量Ｑoが酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1より低い場合にＮＯｘ吸蔵触媒３が劣化状態であることを判定しているが、図４を用いて発熱量Ｑlrが所定値（例えば図中ａ）未満である場合に劣化状態であると判定してもよい。

また、本実施形態では、酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1がＮＯｘ吸蔵触媒３の触媒温度に応じて設定されるので、触媒の温度変化に対応した精度のよい劣化判定が可能となる。あるいは、触媒温度が所定の活性温度である場合にのみ劣化判定を行うようにしてもよい。このようにすれば、劣化判定の機会は減少するが、触媒温度の変動に影響され難い安定した劣化判定を行うことができる。また、酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1をあらかじめ一定の値に設定することができ、酸素吸蔵量劣化判定値Ｑo1の演算が不要となるので、制御の簡素化を図ることができる。

更に、ＮＯｘ吸蔵触触媒３の下流側に空燃比センサ２０を設け、上記ステップＳ６０以降の劣化判定を、ＮＯｘ吸蔵触触媒３通過後の排気の空燃比がリッチとなってから行うとよい。このようにすれば、排気中の酸素と燃料との反応による排気浄化触媒３での熱の発生が抑制されるので、排気浄化触媒３において発生する熱量から酸素吸蔵量Ｑoをより正確に推定することができる。この場合、空燃比センサを１個追加することで部品コストが増加するものの、空燃比センサを２個使用する従来技術よりは部品コストを抑えることができる。

本実施形態では、ディーゼルエンジンのＮＯｘ吸蔵触媒の劣化を判定するが、本発明はこれに限定するものではなく、例えばガソリンエンジンの三元触媒のように、酸素ストレージ機能を有する触媒であれば、その劣化判定に広く適用することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンの排気系の概略構成図である。 ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化判定要領を示すフローチャートである。 触媒後空燃比及び触媒後排気温度の推移を示すタイムチャートである。 発熱量Ｑlrと触媒劣化状態との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
３ ＮＯｘ吸蔵触媒
４ 触媒前排気温度センサ
５ 触媒後排気温度センサ
１０ ＥＣＵ
２０ 空燃比センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸素吸蔵機能を有する排気浄化触媒の触媒劣化判定装置であって、
   前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比をリッチとリーンとの間で切り換える排気空燃比切換手段と、
   前記排気浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、排気温度を検出する触媒前排気温度検出手段と、
   前記触媒前排気温度検出手段により検出された前記排気浄化触媒の上流側の排気温度と前記内燃機関の運転状況とに基づいて、前記排気浄化触媒の下流側の排気温度を推定する触媒後排気温度推定手段と、
   前記排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気温度を検出する触媒後排気温度検出手段と、
   前記排気空燃比切換手段により排気空燃比をリーンから一時的にリッチに切り換えて、前記触媒後排気温度検出手段により検出された実排気温度と前記触媒後排気温度推定手段により推定された推定排気温度との差に基づいて前記排気浄化触媒の劣化状態を判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の触媒劣化判定装置。
2. 前記判定手段は、排気空燃比のリッチへの切り換え時間内における前記実排気温度と前記推定排気温度との差を積算し、該積算した値を前記切り換え時間内に前記排気浄化触媒を通過した排気流量の積算値で除算した値に基づいて前記排気浄化触媒の劣化状態を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判定装置。
3. 前記排気浄化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が所定の温度である場合に前記排気浄化触媒の劣化状態の判定を行う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判定装置。
4. 前記判定手段は、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記排気浄化触媒が劣化状態であるか否かを判別するための閾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判定装置。
5. 前記排気浄化触媒の下流側の排気通路に排気空燃比を検出する空燃比検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記空燃比検出手段により検出された排気空燃比がリッチである場合に前記排気浄化触媒の劣化状態を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の触媒劣化判定装置。

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