JP2014034954A - 検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の下流に配置された触媒の劣化判定を、適切な触媒温度において行うことにより、高精度に劣化を検出する検出システムを提供する。
【解決手段】内燃機関の下流に配置された触媒の劣化判定において、従来技術では例えば触媒に流入するガス(入りガス)の温度が判定許可温度の範囲内に入っている期間に、劣化判定が許可されるので、触媒内部温度が入りガス温度より高い温度の場合、劣触であっても高温で活性化されて正常と判定される場合がある。これに対し本発明では、クライテリア触媒の内部温度モデルにより算出された内部温度が判定許可温度の範囲内に入っているときに劣化判定する。したがって適切な触媒内部温度で劣化判定が行われて、高精度に劣化判定が行える。
【選択図】図5

Description

本発明は、検出システムに関する。
今日、内燃機関に対してすぐれた排気浄化性能が求められている。この目的のために、エンジンの下流に酸化機能を有する触媒(酸化触媒)を配置する場合がある。排気浄化が有効に機能するためには、こうした触媒が劣化しているか否かを適切に判定できることが重要となる。例えばOBD等の排気浄化に関する法規においては、検出すべき基準となる劣化触媒(クライテリア触媒)が規定されている。
下記特許文献1には、酸化触媒が劣化しているか否かの判定時期が内燃機関の運転状態によって制限されず、高精度な劣化判定が行える技術が開示されている。
特開2010−203238号公報
上記特許文献1の技術では、劣化触媒(劣触)では新しい触媒(新触)よりも触媒活性温度が高いことや、触媒におけるHC(炭化水素)浄化率は触媒内部での温度上昇値に反映されること等(これらは図3、図4に示されている)を用いて、触媒の劣化判定を行っている。具体的には、新触は活性化し劣触は活性化しない温度範囲内(判定許可温度範囲内)に触媒温度があるときに、触媒内部における温度上昇幅が所定の閾値より大きければ触媒は劣化していないと判定し、閾値より小さいと劣化していると判定する。これにより高精度な劣化判定が実現されている。
その際、特許文献1では、触媒上流(入口)における排ガス温度を触媒温度の代用として用いている。この場合、触媒上流のガス温度と触媒内部の温度に差がない場合には、適切に触媒の劣化を判定することができる。しかし、触媒上流がす温度が上述の判定許可温度範囲に入っていても触媒内部がそれよりかなり高温の場合、触媒が劣化していても触媒内部の温度が高温のため、触媒が活性化し、結果的に劣化していないと判定される可能性がないとは言い切れない。したがって、そのような場合にも適切に触媒の劣化判定が行えるように、例えば適切な触媒温度において劣化判定が行われるように上記従来技術を発展させれば、さらに高精度な劣化判定が行える検出システムが実現できる。
そこで本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑み、内燃機関の下流に配置された触媒の劣化判定を、適切な触媒温度において行うことにより、高精度に劣化を検出する検出システムを提供することにある。
上記課題を達成するために、本発明に係る検出システムは、内燃機関の排気通路に配置された酸化機能を有する触媒と、その触媒の上流から下流への温度上昇値を取得する第1取得手段と、前記第1取得手段により取得された温度上昇値が閾値よりも小さいと前記触媒が劣化していると判定する判定手段において、前記触媒が、劣化していない触媒と劣化している触媒とを区別するための基準触媒であるとして、触媒内部温度を推定する第1推定手段を備え、その推定手段により推定された触媒内部温度が所定範囲内にある場合に劣化判定を許可することを特徴とする。
これにより本発明の検出システムでは、触媒の劣化判定を、その触媒が、劣化していない触媒と劣化している触媒とを区別するための基準触媒であるとして触媒内部温度を推定し、その推定された触媒内部温度が所定範囲内にある場合に行なう。したがって基準触媒であるとして適切に推定された触媒温度を用いることにより、触媒温度が適切な範囲内にあるときに劣化判定を行える。よって高精度に劣化が判定できる。
本発明における検出システムの1実施例におけるシステム構成の概要図。 触媒の劣化検出の処理手順の例を示すフローチャート。 触媒内部温度とHC上昇率の関係の例を示す図。 新触や劣触における温度上昇の時間推移の例を示す図。 従来技術と本発明とにおける劣化判定の例を示す図。 触媒内部温度の推定のためのモデルに関する図。 HC量と判定許可温度の上限値(下限値)の関係の例を示す図。 触媒への流入ガス量と判定許可温度の上限値(下限値)の関係の例を示す図。 触媒内部温度の推定手順の例を示すフローチャート。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図1は、本発明に係る検出システム1(以下、システム)の1実施例における装置構成の概要図である。
システム1は、例えば自動車に搭載されたエンジン2(例えばディーゼルエンジン)の排気管3中に触媒4(酸化触媒)を備える。触媒4の上流および下流には排ガス温度センサ5、6が配置され、それぞれの場所での排ガス温度を検出する。エンジン2の吸気管にはエアフロメータ8が配置されて吸気量を検出する。排気管3には、排気管中に燃料を添加する添加弁9が装備されている。
また触媒4の下流には、DPF(あるいはLNT)10が配置されている。DPF(Diesel Particulate Filter)は、排気中の粒子状物質(PM)を捕集するフィルタである。LNT(Lean NOx Trap)は、リーン雰囲気中に排気中のNOxを吸蔵してリッチ雰囲気中に還元して浄化する装置である。
触媒4は酸化機能を有し、エンジン2におけるポスト噴射や添加弁9からの燃料添加により供給されたHC(炭化水素)に反応することで、排気(ガス)中の例えばCO(一酸化炭素),NOx(窒素酸化物)、HC、PMなどを燃焼して浄化する。また触媒4は、DPF10の再生(DPF10に堆積したPMの燃焼除去)、あるいはLNT10におけるS再生(LNT10の硫黄被毒からの再生)において、ポスト噴射や添加弁からの燃料添加により供給されたHCによって反応して排気を昇温する機能も有する。
またシステム1は本発明に係る制御を行うECU7(Electronic Control Unit)を備える。ECU7は、通常のコンピュータと同様の構造、すなわち各種演算などの情報処理を行うCPUや、そのCPUの作業領域としてのRAM、必要な各種プログラムやデータを記憶する不揮発性のメモリ70などを備える。またECU7は、排気温度センサ5、6、エアフロメータ8の検出値を取得し、エンジン2における燃料噴射量、添加弁9からの燃料添加量などを制御する。
メモリ70内には、本発明に関係するモデル700が記憶されている。モデル700は、触媒4の劣化判定の際に用いられる触媒の内部温度の推定のための(数式)モデルである。本実施例では、例えばモデル700は、劣化していない触媒と劣化している触媒とを区別する基準となる触媒、あるいは劣化と検出したい(検出すべき)触媒のうちで劣化の進行度が下限の触媒における内部温度推定モデルとする。したがってモデル700は、例えば上述のクライテリア触媒における内部温度推定モデルとすればよい。
システム1における触媒4の劣化判定は、例えば図2に示された手順で行う。図2(および後述の図9)の処理手順は予めプログラム化しておいてメモリ70に記憶し、ECU7が自動的に呼び出して実行すればよい。図2の処理はエンジン2の駆動中に例えば所定の周期ごとに実施すればよい。
図2の手順でECU7は、まず手順S10でエンジン2の筒内でポスト噴射を実施する。続いてS20でECU7は、S10で実施したポスト噴射量(ポスト噴射における燃料噴射量)が所定値よりも大きいか否かを判定する。ポスト噴射量が所定値よりも大きい場合(S20:YES)はS30に進み、ポスト噴射量が所定値以下の場合(S20:NO)は図2の処理を終了する。
なお以上の処理では、ポスト噴射ではなく添加弁9からの燃料添加としてもよい。ポスト噴射量や添加弁からの添加量(以下、燃料添加量)は触媒4に流入するHC量に相当する量であるとみなされる。S20でポスト噴射量や燃料添加量が所定値よりも大きい場合のみ、後述の劣化判定へ進むので、触媒4に供給されるHC量が少なすぎて新触も劣触でも昇温量が小さい状況が回避できる。
S30に進んだらECU7は、メモリ70からモデル700を(RAMへ)呼び出し、そのモデル700を用いて、システム1に装備された触媒4が仮にクライテリア触媒であるとした場合の触媒内部温度を推定する。この処理の詳細は図9を参照して後述する。
続いてS40でECU7は、S30で推定された(クライテリア触媒の)触媒内部温度が所定の下限値と上限値との間に入っているか否かを判定する。ここで所定の下限値は図3で示した判定許可温度の下限値、所定の上限値は図3で示した判定許可温度の上限値である。判定許容温度は、触媒4が劣化していない触媒の場合には触媒反応により触媒内部で温度上昇が(下記S60で用いられる判定閾値以上に)生じるが、劣化している触媒の場合には触媒反応により触媒内部で温度上昇が(同判定閾値までは)生じない温度である。触媒内部での温度上昇とは、触媒4の上流(入口)位置から下流(出口)位置への温度上昇である。
つまりS40では(クライテリア触媒の)触媒内部温度が判定許可温度の範囲内に含まれているか否かを判定する。(クライテリア触媒の)触媒内部温度が判定許可温度の範囲内に含まれている場合(S40:YES)は、S50に進み、判定許可温度の範囲内に含まれていない場合(S40:NO)は図2の処理を終了する。
なおS40には、上記判定許可温度の下限値あるいは上限値を設定する処理を含ませてもよい。その例が図7、図8に示されている。図7の例では、触媒4に流入するHC量が大きいほど下限値あるいは上限値を(例えば図示されたように下に凸の傾向で)大きくする。上述のとおり例えばS20で用いられたポスト噴射量や燃料添加量が触媒4に流入するHC量に相当する。
図8の例では、触媒4に流入するガス量が大きいほど下限値あるいは上限値を(例えば図示されたように下に凸の傾向で)大きくする。触媒4に流入するガス量は、例えばエアフロメータ8の検出値を用いればよい。図7、図8のように判定許可温度の上限値あるいは下限値を設定することにより、触媒4に流入するHC量やガス量が大きいほど触媒が(新触、劣触ともに)活性化する温度が高くなる性質が適切に反映される。
S50に進んだらECU7は、触媒7の劣化判定を許可する。そしてECU7は、S60で触媒4での昇温量が判定閾値よりも小さいか否かを判定する。ここで触媒4での昇温量は、下流側の温度センサ6の検出値から上流側の温度センサ5の検出値を減算した数値とすればよい。触媒4での昇温量が判定閾値よりも小さい場合(S60:YES)はS70に進み、触媒4での昇温量が判定閾値以上の場合(S60:NO)はS80に進む。
S70に進んだ場合は、S40が肯定判断なので(クライテリア)触媒温度が判定許可温度内に入っているにもかかわらず、触媒4での昇温量が判定閾値より小さい場合である。したがって図3のとおり、触媒4は劣触であるとみなされる。したがってS70でECU7は劣触(あるいは異常)であると判定する。
これに対しS80に進んだ場合は、S40が肯定判断なので判定許可温度内に入っており、触媒4での昇温量が判定閾値より大きい場合である。したがって図3のとおり、触媒4は正常であるとみなされる。したがってS70でECU7は正常であると判定する。
以上が図2の処理手順である。図2の処理を実行した場合のシステムの時間的な挙動は例えば図5のようになる。図5の例は、例えばエンジン2を搭載した車両において、アクセルが一旦踏み込まれた後に減速したような過渡的な運転における挙動の例である。
従来技術においては、触媒4に流入するガス(入りガス)の温度が判定許可温度の範囲内に入っている期間に、劣化判定が許可される。図5の例では、運転における負荷の低減により入りガスの温度が判定許可温度まで下がってきた期間においても、触媒内部温度はそれよりは高い温度となっている。その結果、劣触であっても高温で活性化されて正常と判定されてしまう可能性がないとは言い切れない。
これに対し本発明の上記実施例では、クライテリア触媒の内部温度モデルにより算出された内部温度が判定許可温度の範囲内に入っているときに劣化判定する。したがって図5の例では、触媒内部温度が落ち着いた状態で劣化判定が行われて、結果的に劣化していると判定されている。このように本実施例ではクライテリア触媒から算出した内部温度を用いることによって、触媒の劣化判定の精度を従来よりもさらに向上させている。
上記S30での触媒内部温度の推定方法は、例えば図9に示された手順により行えばよい(図9の手順をプログラム化したものが図1に示されたモデル700としてよい)。この例では触媒4の内部を図6に示されるように、上流側から下流側へ複数個の領域(セル)に分割し、各セルの温度を推定することで触媒4内部の(ある時刻での)温度分布を求める。
図9の手順は1つのセルにおける温度(セル温度)を求める手順である。この目的のために、各セルを流通するガスの温度(セルガス温度)、各セルから1つ下流のセルへ供給するHC量(セルHC量)、各セルから1つ下流のセルへ供給する酸素量(セル酸素量)が必要となるので、これらの算出も図9の処理のなかで行われる。図9の処理は例えば上流側のセルから順に行えばよい。なおセルの温度とはそのセル部分の基材の温度とすればよい。
なお以下では図9の処理を例えば所定周期ごとに繰り返し処理するとし、1回前に行った処理を前回の処理、現在行っている処理を今回の処理などと呼称する。また、セル温度推定(算出)の対象となる1つのセルを当該セル、当該セルに隣接する1つ上流側のセルを上流セル、当該セルに隣接する1つ下流側のセルを下流セルと呼称する。
図9の手順ではまずS100からS120で当該セルへの3つの熱伝達量を算出する。
具体的にS100でECU7は、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量を求める。この手順では、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量を決定する主要な要因である、ガス流量、上流セルのセルガス温度、当該セルの(前回の)セル温度を用いて、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量を算出する。
ガス流量はエアフロメータの検出値により得られる。また、上流セルのセルガス温度、当該セルの(前回の)セル温度は図9を上流側のセルから処理すること等により既に得られている。当該セルよりも上流にセルがない場合は、上流セルのセルガス温度は、温度センサ5の検出値とすればよい。ガス流量、上流セルのセルガス温度、当該セルのセル温度と、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量との間の特性は予め求めておいて、例えばマップとしてメモリ70に記憶しておき、それを用いてS100での算出を行えばよい。
次にS110でECU7は、当該セルの上下流に隣接するセルから当該セルへの熱伝達量を求める。この手順では、隣接するセルから当該セルへの熱伝達量を決定する主要な要因である、上流セルの(今回の)セル温度、下流セルの(前回の)セル温度、当該セルの(前回の)セル温度を用いて、隣接するセルから当該セルへの熱伝達量を算出する。
上流セルの(今回の)セル温度、下流セルの(前回の)セル温度、当該セルの(前回の)セル温度は、図9を上流側のセルから処理すること等により既に得られている。上流セルの(今回の)セル温度、下流セルの(前回の)セル温度、当該セルの(前回の)セル温度と、隣接するセルから当該セルへの熱伝達量との間の特性は予め求めておいて、例えばマップとしてメモリ70に記憶しておき、それを用いてS110での算出を行えばよい。
次にS120でECU7は、当該セルを流通するHCから当該セルへの熱伝達量を求める。この手順では、当該セルを流通するHCから当該セルへの熱伝達量を決定する主要な要因である、上流セルのセル酸素量、上流セルのセルHC量を用いて、例えば当該セルでのHC燃焼量をまず求め、求められた当該セルでのHC燃焼量から、当該セルを流通するHCから当該セルへの熱伝達量を算出する。
上流セルのセル酸素量、上流セルのセルHC量は、図9を上流側のセルから処理すること等により既に得られている。当該セルより上流にセルがない場合は、上流セルのセル酸素量、上流セルのセルHC量は、それぞれ排気中の酸素量、HC量とすればよい。それらはポスト噴射量、燃料添加量を考慮して算出する。上流セルのセル酸素量、上流セルのセルHC量と、(当該セルでのHC燃焼量との間の特性、あるいは)流通するガスから当該セルへの熱伝達量との間の特性は予め求めておいて、例えばマップとしてメモリ70に記憶しておき、それを用いてS120での算出を行えばよい。
次にS130でECU7は、S100からS120で求めた3つの熱伝達量の合計値を算出する。これにより当該セルへ伝達される全熱量が求められる。
次にS140でECU7は、S130で求めた当該セルへの熱伝達量の合計値から、当該セルの温度上昇値を算出する。この算出では、上記熱伝達量の合計値をセルの熱容量(予め求めておく)で除算すればよい。さらに、求まった温度上昇値を前回算出した当該セルのセル温度に加算する。これにより当該セルの今回のセル温度が算出される。
以上により当該セルのセル温度を算出するという目的は達せられたが、他のセルのセル温度の算出のために、続くS150からS170でセルガス温度、セルHC量、セル酸素量を算出する。
まずS150でECU7は当該セルのセルガス温度を算出する。この手順では、当該セルのセルガス温度を決定する主要な要因である、上流セルのセルガス温度、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量を用いて当該セルのセルガス温度を算出する。基本的な考え方は例えば、当該セルを流通するガスから当該セルへの伝達された熱量による温度低下分を、上流セルのセルガス温度から減算するというものである。
上流セルのセルガス温度、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量は、図9のS100の処理等により既に求められている。上流セルのセルガス温度、当該セルを流通するガスから当該セルへの熱伝達量と、当該セルのセルガス温度との関係は、予め求めておいて例えばマップのかたちでメモリ70に記憶しておき、それを用いてS150での算出を行えばよい。
次にS160でECU7は当該セルのセルHC量を算出する。この手順では、当該セルのセルHC量を決定する主要な要因である、当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセルHC量を用いて当該セルのセルHC量を算出する。基本的な考え方は例えば、上流セルのセルHC量から当該セルでのHC燃焼量分を減算するというものである。
当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセルHC量は、図9のS120の処理等により既に求められている。当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセルHC量と、当該セルのセルHC量との関係は、予め求めておいて例えばマップのかたちでメモリ70に記憶しておき、それを用いてS160での算出を行えばよい。
次にS170でECU7は当該セルのセル酸素量を算出する。この手順では、当該セルのセル酸素量を決定する主要な要因である、当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセル酸素量を用いて、当該セルのセル酸素量を算出する。基本的な考え方は例えば、当該セルでのHC燃焼量に対応する酸素量を、上流セルのセル酸素量から減算するというものである。
当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセル酸素量は、図9のS120の処理等により既に求められている。当該セルでのHC燃焼量、上流セルのセル酸素量と、当該セルのセル酸素量との関係は、予め求めておいて例えばマップのかたちでメモリ70に記憶しておき、それを用いてS170での算出を行えばよい。
以上が図9の処理手順である。この処理を上流側のセルから順に実行することにより、触媒4がクライテリア触媒とした場合の触媒の内部温度分布が求められる。
図9を処理することで得られた触媒の内部温度分布における最高値が高いほど、上述の図2のS60において、判定閾値を大きくする処理を付加してもよい。この場合、触媒内部温度が高い場合にそれに応じて判定閾値も高くすることで、高精度に劣化判定が行える。
なお上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できる。例えばエンジン2はディーゼルエンジンのみでなく、リーンバーンガソリンエンジンとしても同様の効果を奏する。触媒4の内部温度推定モデルは、クライテリア触媒における内部温度推定モデルに限らず、劣化していない触媒と劣化している触媒とを区別する基準となる触媒、あるいは劣化と検出したい(検出すべき)触媒のうちで劣化の進行度が下限の触媒における内部温度推定モデルとすればよい。なお図1のシステムでは触媒4と直列にDPFとLNTの両方が配置された(配置順は任意)形態でもよい。
1 検出システム
2 エンジン(内燃機関)
4 触媒
700 モデル

Claims (9)

  1. 内燃機関の排気通路に配置された酸化機能を有する触媒(4)と、
    その触媒の上流から下流への温度上昇値を取得する第1取得手段(S60)と、
    前記第1取得手段により取得された温度上昇値が閾値よりも小さいと前記触媒が劣化していると判定する判定手段(S70)において、
    前記触媒が、劣化していない触媒と劣化している触媒とを区別するための基準触媒であるとして、触媒内部温度を推定する第1推定手段(S30)を備え、
    その推定手段により推定された触媒内部温度が所定範囲内にある場合に劣化判定を許可することを特徴とする検出システム。
  2. 前記触媒に流入する炭化水素の量に相当する量を取得する第2取得手段(S10)を備え、
    前記判定手段は、前記第1推定手段により推定された触媒内部温度が所定範囲内にあり、前記第2取得手段により取得された炭化水素量の相当量が所定値よりも大きい場合に、前記第1取得手段により取得された温度上昇値が閾値よりも小さいと前記触媒が劣化していると判定する請求項1に記載の検出システム。
  3. 前記所定範囲は、劣化していない触媒では触媒反応による温度上昇が生じるが、劣化している触媒では触媒反応による温度上昇が生じない温度範囲である請求項1又は2に記載の検出システム。
  4. 前記触媒に流入する炭化水素の量に相当する量を取得する第2取得手段(S10)と、
    前記所定範囲の上限温度と下限温度との少なくとも一方を、前記第2取得手段により取得された炭化水素量の相当量に応じて可変とする第1可変手段(S40)と、
    を備えた請求項1乃至3のいずれか1項に記載の検出システム。
  5. 前記第1可変手段(S40)は、前記第2推定手段により取得された炭化水素量の相当量が大きいほど前記所定範囲の上限温度と下限温度との少なくとも一方を大きくする請求項4に記載の検出システム。
  6. 前記触媒に流入する排ガス量を検出する検出手段(8)と、
    前記所定範囲の上限温度と下限温度との少なくとも一方を、前記検出手段により検出された排ガス量に応じて可変とする第2可変手段(S40)と、
    を備えた請求項1乃至5のいずれか1項に記載の検出システム。
  7. 前記第2可変手段(S40)は、前記検出手段により検出された排ガス量が大きいほど前記所定範囲の上限温度と下限温度との少なくとも一方を大きくする請求項6に記載の検出システム。
  8. 前記第1推定手段は、触媒内部を複数の部分に分割して、その各部分の温度を推定する温度分布推定手段(S140)を備え、
    その温度分布推定手段で推定された各部分の温度のうちの最高温度が高いほど前記閾値を大きくする設定手段(S60)を備えた請求項1乃至7のいずれか1項に記載の検出システム。
  9. 前記触媒に流入する排ガス量を検出する検出手段(8)と、
    前記触媒の上流のガス温度を取得する第3取得手段(5)と、
    前記触媒に流入する炭化水素の量に相当する量を取得する第2取得手段(S10)と、
    前記第2取得手段により取得された炭化水素量の相当量を浄化したときの前記触媒内での発熱量を推定する第2推定手段(S130)と、を備え、
    前記第1推定手段は、前記検出手段により検出された排ガス量と、前記第3取得手段により取得された触媒上流のガス温度と、前記第2推定手段により推定された発熱量と、に応じて、触媒内部温度を推定する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の検出システム。
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