JP2012162994A - 排気浄化装置の劣化判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を判定するシステムにおいて、酸化触媒を含む排気浄化装置の劣化を判定可能な技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置され酸化触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へ流入する排気に燃料などの還元剤を供給する供給装置と、排気浄化装置から流出する排気の酸素濃度を測定する酸素濃度センサと、を備えた排気浄化装置の劣化判定システムにおいて、供給装置から還元剤が供給されたときに酸素濃度センサが検出する酸素濃度の変化幅（振幅）が排気浄化装置の正常時における振幅より小さいときに、排気浄化装置が劣化していると判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を判定する技術に関し、特に酸化触媒を含む排気浄化装置の劣化を判定する技術に関する。

従来、酸化機能を有する触媒の劣化を判定する方法として、触媒より上流の排気中に燃料が添加された後に、触媒から放出される熱量を検出し、検出された熱量を正常値と比較することにより触媒の劣化を検出する方法が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００９−１５６０４９号公報 特開２００９−２６４１８４号公報

ところで、近年では排気浄化性能に対する規制が強化されてきており、触媒の僅かな劣化も検出する必要性が生じてきている。しかしながら、上記した従来技術を利用して触媒の僅かな劣化を検出しようとすると、判定処理実行時の機関運転状態に適合した正常値をより正確に規定する必要があり、判定ロジックが複雑になる可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を判定するシステムにおいて、酸化触媒を含む排気浄化装置の僅かな劣化を検出することができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、酸化触媒を含む排気浄化装置の劣化を判定するシステムにおいて、排気浄化装置より下流の排気通路に酸素濃度センサを配置し、酸素濃度センサの出力値の変化幅（振幅）に着目した。

本願発明者が鋭意の実験および検証を行った結果、排気浄化装置の酸化機能が劣化しているときは劣化していないとき（正常時）に比べ、酸素濃度センサの出力値の変化幅（振幅）が小さくなることがわかった。なお、そのメカニズムについては明確に解明されていないが、おおよそ以下のような理由によると推察される。

すなわち、排気浄化装置の酸化機能が劣化しているときは正常時に比べ、排気浄化装置をすり抜ける還元剤（排気浄化装置で酸化されずに排気浄化装置から排出される還元剤）が増加したり、排気浄化装置内において即座に酸化されずに留まる（たとえば、排気浄化装置内に吸着される）還元剤が増加したり、または酸素濃度センサにおいて時間をかけて酸化される還元剤が増加したり、といった現象が発生すると考えられる。要するに、排気浄化装置や酸素濃度センサにおいて単位時間当たりに酸化される還元剤の量が減少し、それに伴って単位時間当たりに消費される酸素量も減少すると考えられる。その結果、排気浄化装置が劣化しているときは正常時に比べ、酸素濃度センサの出力値の変化幅が小さくなる。

そこで、本発明に係わる排気浄化装置の劣化判定システムは、
内燃機関の排気通路に設けられ、酸化触媒を含む排気浄化装置と、
排気浄化装置より下流の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅が前記排気浄化装置の正常時における振幅より小さいときに前記排気浄化装置が劣化していると判定する判定手段と、
を備えるようにした。

前述したように、排気浄化装置が劣化しているときは正常であるときに比して、酸素濃度センサが検出する酸素濃度の変化幅（振幅）が小さくなる。よって、酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅が正常時より小さいときは、排気浄化装置が劣化していると判定することができる。

なお、内燃機関がリーン空燃比で運転されている場合などは、排気中に含まれる還元剤が少なくなる。そのような場合は、排気浄化装置が劣化しているときと正常であるときの振幅の差が小さくなる。そこで、判定手段は、排気浄化装置へ還元剤を供給するための供給装置から還元剤が供給されたときに酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅に基づいて排気浄化装置の劣化を判定してもよい。このような構成によれば、内燃機関がリーン空燃比で運転される場合であっても、排気浄化装置の劣化を判定することができるようになる。

また、本発明に係わる排気浄化装置の劣化判定システムにおいて、判定手段は、酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅を積算し、その積算値と排気浄化装置が正常であるときの振幅の積算値とを比較して劣化判定を行うようにしてもよい。

供給装置が一時（１回あたり）に供給する還元剤量が少ない場合や排気浄化装置の劣化度合が低い場合などは、１回の還元剤供給における酸素濃度の変化量（振幅）が小さくなる。これに対し、複数回の還元剤供給における酸素濃度の振幅の積算値は、正常時と劣化時とで明確に異なる値を示すことになる。よって、排気浄化装置の劣化をより正確に検出することが可能になるとともに、より軽微な劣化を検出することが可能となる。

本発明に係わる排気浄化装置の劣化判定システムにおいて、判定手段は、酸素濃度センサが検出する酸素濃度の変化の振幅を積算して第１積算値を演算するとともに、酸素濃度センサにより検出される酸素濃度から前記内燃機関の燃焼間隔に同期した酸素濃度の振動周波数帯域が除去されたなまし値を積算して第２積算値を演算し、前記第１積算値と前記第２積算値との差が排気浄化装置の正常時における差より小さいときに排気浄化装置が劣化していると判定するようにしてもよい。

かかる構成によれば、酸素濃度センサにより検出された酸素濃度の振幅が積算されている過程（途中）において、内燃機関から排出される排気の酸素濃度が変化する場合であっても、排気浄化装置の劣化を正確に判定することが可能になる。

ここで、第１積算値と第２積算値との差は、それら第１および第２積算値が積算された期間（積算期間）中に供給装置から供給された還元剤の総量（以下、「総還元剤供給量」と称する）によって変化する。たとえば、総還元剤供給量が多いときは少ないときに比べ、前記した差（第１積算と第２積算値との差）が大きくなる。よって、総還元剤供給量に対する前記差の比率（＝｛（第１積算値）−（第２積算値）｝／（積算期間中の総還元剤供給量））をパラメータとすることにより、総還元剤供給量にかかわらず排気浄化装置の劣化を判定することが可能になる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を判定するシステムにおいて、酸化触媒を含む排気浄化装置の僅かな劣化を検出することができる。

本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 還元剤添加弁から燃料添加された場合における酸素濃度センサ出力の経時変化を示す図である。 還元剤添加弁から間欠的に燃料添加が実施された場合における酸素濃度センサ出力の経時変化を示す図である。 最終振幅値と総燃料添加量との関係を示す図である。 排気浄化装置の劣化判定処理を実施する際にＥＣＵが実行するルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図１乃至図５に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の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、複数の気筒を有する圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、内燃機関１は、火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）であっても構わない。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、排気浄化装置３が配置されている。排気浄化装置３は、酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタや、吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒などのように酸化触媒を含み、排気中に含まれる還元剤（たとえば、炭化水素や一酸化炭素など）を酸化する機能を有する。

前記排気浄化装置３より上流の排気通路２には、該排気通路２を流れる排気（排気浄化装置３へ流入する排気）中へ還元剤を添加する還元剤添加弁４が取り付けられている。本実施例では、還元剤添加弁４から添加される還元剤として内燃機関１の燃料を用いるが、これに限定されるものではない。また、前記排気浄化装置３より下流の排気通路２には、該排気通路２を流れる排気（排気浄化装置３から流出した排気）に含まれる酸素の濃度を測定する酸素濃度センサ５が配置されている。

このように構成された内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６が併設されている。ＥＣＵ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどを備えている。ＥＣＵ６には、前述した酸素濃度センサ５に加え、アクセルポジションセンサ７やクランクポジションセンサ８などの各種センサが電気的に接続されている。アクセルポジションセンサ７は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に対応した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に対応した電気信号を出力するセンサである。

ＥＣＵ６は、上記した各種センサの出力信号に基づいて内燃機関１の運転状態を制御したり、還元剤添加弁４の作動状態を制御したりする。たとえば、排気浄化装置３がパティキュレートフィルタを具備する場合は、ＥＣＵ６は、パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質（ＰＭ）を除去することを目的として、還元剤添加弁４から排気中へ燃料を添加させる（ＰＭ再生処理）。その場合、還元剤添加弁４から添加された燃料（添加燃料）が排気浄化装置３の酸化触媒により酸化させられ、その際に発生する酸化反応熱によりパティキュレートフィルタが昇温する。パティキュレートフィルタの温度が大凡６００℃まで昇温すると、パティキュレートフィルタに捕集されているＰＭが酸化する。

排気浄化装置３が吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒を具備する場合は、ＥＣＵ６は、吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘを還元することを目的として、還元剤添加弁４から排気中へ燃料を添加させる（ＮＯ_Ｘ再生処理）。その場合、吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒に吸蔵されていたＮＯ_Ｘが該吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒から放出され、排気中の添加燃料によって還元される。吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒に吸蔵された硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）を還元する場合は、ＥＣＵ６は、還元剤添加弁４から排気中へ燃料を添加させる（ＳＯ_Ｘ再生処理）。その場合、添加燃料の酸化反応熱により吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒が昇温し、該吸蔵還元型ＮＯ_Ｘ触媒からＳＯ_Ｘが放出されるとともに還元される。

また、本実施例におけるＥＣＵ６は、本発明の要旨となる排気浄化装置３の劣化判定処理も実行する。以下、本実施例における劣化判定処理について説明する。

本願発明者が鋭意の実験および検証を行った結果、図２に示すように、排気浄化装置３の酸化機能が劣化している場合は、酸化機能が劣化していない場合に比べ、酸素濃度センサ５により検出される酸素濃度（酸素濃度センサ出力）の変化幅（振幅）が小さくなることを見出した。なお、そのメカニズムについては明確に解明されていないが、おおよそ以下のような理由によると推察される。

すなわち、排気浄化装置３の酸化機能が劣化しているときは劣化していないとき（正常時）に比べ、排気浄化装置３をすり抜ける還元剤（排気浄化装置３で酸化されずに排気浄化装置３から排出される還元剤）が増加したり、排気浄化装置３内において即座に酸化されずに留まる（たとえば、排気浄化装置３内に吸着される）還元剤が増加したり、または酸素濃度センサ５において時間をかけて酸化される還元剤が増加したり、といった現象が発生すると考えられる。

要するに、排気浄化装置３や酸素濃度センサ５において単位時間当たりに酸化される還元剤の量が減少し、それに伴って単位時間当たりに消費される酸素量も減少すると考えられる。その結果、図３に示すように、排気浄化装置３が劣化しているときは正常時に比べ、酸素濃度センサ５により検出される酸素濃度（酸素濃度センサ出力）の変化幅（振幅）が小さくなる。なお、図３中（ａ）は還元剤添加弁４から間欠的に燃料が添加された場合に酸素濃度センサ５が検出した酸素濃度の経時変化を示す図であり、図３中の（ｂ）は図３中（ａ）の記号Ａが示す範囲の拡大図である。

ところで、内燃機関１がリーン空燃比により運転される場合は、排気中に含まれる還元剤の量が少なくなる。排気中に含まれる還元剤の量が少なくなると、酸素濃度センサ５により検出される酸素濃度の変化の振幅が小さくなる。そのため、排気浄化装置３の劣化判定処理は、還元剤添加弁４により燃料が添加されたときに酸素濃度センサ５が検出する酸素濃度の振幅（燃料添加前の酸素濃度と燃料添加後の酸素濃度との差）に基づいて行われることが望ましい。

また、上記したようなＰＭ再生処理、ＮＯ_Ｘ再生処理、或いはＳＯ_Ｘ再生処理においては、還元剤添加弁４から間欠的に複数回の燃料添加が行われるため、１回あたりの燃料添加量は少なくなる。それに伴い、１回当たりの燃料添加における酸素濃度の振幅も小さくなる。よって、排気浄化装置３の劣化が軽微である場合は、劣化時の振幅と正常時の振幅との差が小さくなる可能性もある。これに対し、本実施例の劣化判定処理では、ＥＣＵ６は、燃料添加が複数回実行される期間（積算期間）における振幅を積算し、その積算値を正常時の値と比較するようにした。ここでいう「複数回」とは、排気浄化装置３が劣化しているときの積算値と正常時の積算値との差が顕著に表れると考えられる回数であり、予め実験などを利用した適合処理によって定められる回数である（なお、以下では「規定回
数」と称する）。

なお、内燃機関１が圧縮着火式内燃機関である場合は、内燃機関１から排出される排気（還元剤添加弁４により燃料が添加される前の排気）の酸素濃度が内燃機関１の燃焼条件（混合気の空燃比など）に応じて変化する。その結果、酸素濃度センサ５により検出される酸素濃度の振幅は、燃料添加による酸素濃度の変化分と混合気の空燃比の変化分とが含まれることになる。

これに対し、内燃機関１がアイドル運転状態などの定常状態にあるときに酸素濃度センサ５が検出した酸素濃度の振幅に基づいて劣化判定を行う方法が考えられる。しかしながら、劣化判定処理の実施頻度が少なくなる可能性がある。そこで、本実施例では、燃料添加複数回分の振幅を積算して第１積算値を演算するとともに、酸素濃度センサ５により検出された酸素濃度から内燃機関１の燃焼間隔に同期した振動周波数帯域が除去（フィルタリング）された値（以下、「なまし値」と称する）の振幅を積算して第２積算値を演算し、それら第１積算値と第２積算値の差（以下、「最終振幅値」と称する）をパラメータとして劣化判定処理を行うようにした。

ここで、前記した最終振幅値は、第１および第２積算値の積算期間中に還元剤添加弁４から排気中へ添加された燃料の総量、言い換えれば複数回の燃料添加によって排気中に添加された燃料の総量（以下、「総燃料添加量」と称する）によって変化する。たとえば、図４に示すように、総燃料添加量が多いときは少ないときに比べ、最終振幅値が大きくなるとともに、正常時の最終振幅値と劣化時の最終振幅値との差も大きくなる。

よって、総燃料添加量に対する最終振幅値の比（以下、「振幅比率」と称する）をパラメータとして、排気浄化装置３の劣化判定を行うようにしてもよい。その場合、総燃料添加量の多少にかかわらず、排気浄化装置３の劣化を判定することが可能となる。

以下、本実施例における劣化判定処理の実行手順について図５に沿って説明する。図５は、ＥＣＵ６が劣化判定処理を実行するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めＥＣＵ６のＲＯＭなどに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ６によって周期的に実行される。

図５のルーチンでは、ＥＣＵ６は、先ずＳ１０１において還元剤添加弁４の作動条件（燃料添加条件）が成立しているか否かを判別する。還元剤添加弁４の作動条件としては、ＰＭ再生処理の実行条件が成立していること、ＮＯ_Ｘ再生処理の実行条件が成立していること、またはＳＯ_Ｘ再生処理の実行条件が成立していること、などを例示することができる。

前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ６は、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ６は、Ｓ１０２へ進む。Ｓ１０２では、ＥＣＵ６は、還元剤添加弁４が燃料添加を実施したか否かを判別する。Ｓ１０２において否定判定された場合は、ＥＣＵ６は、Ｓ１０２の処理を再度実行する。Ｓ１０２において肯定判定された場合は、ＥＣＵ６は、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ６は、燃料添加回数Ｃａを１つインクリメントする（Ｃａ←Ｃａ＋１）。続いて、ＥＣＵ６は、Ｓ１０４へ進み、燃料添加回数Ｃａが規定回数Ｃａ０未満であるか否かを判別する。Ｓ１０４において肯定判定された場合（Ｃａ＜Ｃａ０）は、ＥＣＵ６は、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ６は、酸素濃度センサ５の前回の検出値Ｏ２ｏｌｄと今回の検出
値Ｏ２との差の絶対値を演算することにより、酸素濃度の振幅ΔＯ２を求める。

Ｓ１０６では、ＥＣＵ６は、酸素濃度の振幅の積算値ΣΔＯ２を演算する。詳細には、ＥＣＵ６は、前回の積算値ΣΔＯ２ｏｌｄに前記Ｓ１０５で算出された振幅ΔＯ２を加算することにより、酸素濃度の振幅の積算値ΣΔＯ２を算出する。

Ｓ１０７では、ＥＣＵ６は、酸素濃度センサ５の前回の検出値をフィルタリングしたなまし値Ｏ２’ｏｌｄと今回の検出値をフィルタリングしたなまし値Ｏ２'との差の絶対値
を演算することにより、なまし値の振幅ΔＯ２’を求める。

Ｓ１０８では、ＥＣＵ６は、なまし値の積算値ΣΔＯ２’を演算する。詳細には、ＥＣＵ６は、前回の積算値ΣΔＯ２’ｏｌｄに前記Ｓ１０７で算出されたなまし値の振幅ΔＯ２’を加算することにより、なまし値の振幅の積算値ΣΔＯ２’を算出する。ＥＣＵ６は、前記Ｓ１０８の処理を実行した後にＳ１０１へ戻る。

このようにＥＣＵ６がＳ１０１乃至Ｓ１０８の処理を繰り返し実行すると、燃料添加回数Ｃａが規定回数Ｃａ０以上に達する。その場合、ＥＣＵ６は、Ｓ１０４において否定判定してＳ１０９へ進むことになる。

Ｓ１０９では、ＥＣＵ６は、前記Ｓ１０６で算出された酸素濃度の振幅の積算値ΣΔＯ２から前記Ｓ１０８で算出されたなまし値の振幅の積算値ΣΔＯ２’を減算することにより、最終振幅値ΣΔＯ２ｆ（＝ΣΔＯ２−ΣΔＯ２’）を算出する。

Ｓ１１０では、ＥＣＵ６は、前記Ｓ１０９で算出された最終振幅値ΣΔＯ２ｆを総燃料添加量Ｍｈｃで除算することにより、振幅比率ＲＯ２（＝ΣΔＯ２ｆ／Ｍｈｃ）を算出する。

Ｓ１１１では、ＥＣＵ６は、前記Ｓ１１０で算出された振幅比率ＲＯ２が基準値Ｌより小さいか否かを判別する。ここでいう基準値Ｌは、排気浄化装置３が劣化していないときの振幅比率からマージンを差し引いた値である。

前記Ｓ１１１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ６は、Ｓ１１２へ進み、排気浄化装置３が劣化していると判定（劣化判定）する。また、前記Ｓ１１１において否定判定された場合は、ＥＣＵ６は、Ｓ１１３へ進み、排気浄化装置３が劣化していないと判定（正常判定）する。ＥＣＵ６は、Ｓ１１２またはＳ１１３の処理を実行し終えると、燃料添加回数Ｃａ、酸素濃度の振幅ΔＯ２、なまし値の振幅ΔＯ２'、酸素濃度の振幅の積算値Σ
ΔＯ２、なまし値の振幅の積算値ΣΔＯ２'など、各種値を零にリセットして本ルーチン
の実行を終了する。

このようにＥＣＵ６が図５に示すルーチンを実行することにより、本発明に係わる判定手段が実現される。その結果、排気浄化装置３の軽微な劣化を正確に検出することが可能となる。なお、図５に示すルーチンにおいては、燃料添加回数Ｃａが規定回数Ｃａ０に達するまでの期間における酸素濃度の振幅の積算値に基づいて劣化判定処理を実施しているが、総燃料添加量が規定量に達するまでの期間における酸素濃度の振幅の積算値に基づいて劣化判定処理を実施してもよい。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 排気浄化装置
４ 還元剤添加弁
５ 酸素濃度センサ
６ ＥＣＵ
７ アクセルポジションセンサ
８ クランクポジションセンサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化触媒を含む排気浄化装置と、
   前記排気浄化装置より下流の排気通路に配置され、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、
   前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅が前記排気浄化装置の正常時における振幅より小さいときに前記排気浄化装置が劣化していると判定する判定手段と、
   を備える排気浄化装置の劣化判定システム。
2. 請求項１において、前記排気浄化装置へ還元剤を供給する供給装置を更に備え、
   前記判定手段は、前記供給装置により還元剤が供給されたときに前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅と前記排気浄化装置の正常時における振幅とを比較して劣化判定を行う排気浄化装置の劣化判定システム。
3. 請求項２において、前記判定手段は、前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅を積算し、その積算値と前記排気浄化装置の正常時における振幅の積算値とを比較して劣化判定を行う排気浄化装置の劣化判定システム。
4. 請求項３において、前記判定手段は、前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅を積算して第１積算値を演算するとともに、前記酸素濃度センサが検出する酸素濃度の振幅から前記内燃機関の燃焼間隔に同期した酸素濃度の振動周波数域が除去された値を積算して第２積算値を演算し、前記第１積算値と前記第２積算値との差が前記排気浄化装置の正常時における差より小さいときに前記排気浄化装置が劣化していると判定する排気浄化装置の劣化判定システム。
5. 請求項４において、前記判定手段は、前記第１積算値および前記第２積算値の積算期間に前記供給装置から供給された還元剤の総量に対する前記第１積算値と前記第２積算値との差の比が前記排気浄化装置の正常時における比より小さいときに前記排気浄化装置が劣化していると判定する排気浄化装置の劣化判定システム。

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